仿白鹤扑翼系统的设计及其气动特性研究

发布时间：2017-08-14 05:05

  本文关键词：仿白鹤扑翼系统的设计及其气动特性研究

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【摘要】：仿白鹤扑翼系统属于仿生扑翼飞行器的范畴,与传统的固定翼飞行器或旋翼飞行器不同,它是一种靠机翼的上下扑动、折叠并绕翼杆扭转来产生升力、推力的新概念飞行器。目前,仿生扑翼飞行器已经引起了国际上的研究热潮,人们在扑翼飞行空气动力学方面的研究取得了很大的进步。基于此,本文提出一种仿白鹤扑翼系统的设计,针对其飞行机理、扑翼结构、样机整体布局设计和气动力特性进行了系统地研究。本文从仿生学角度研究了鸟类翅膀的构造特征和扑打运动特征,着重分析了白鹤等鸟类飞行的高升力机理,并据此给出对扑翼结构及仿白鹤扑翼系统样机的设计要求,并提出一种仿白鹤扑翼机构。使用SolidWorks建模,ADAMS对机构进行运动学仿真,得出机构运动方程式,并优化扑翼结构。针对所涉及的扑翼机构,采用基于计算流体力学(CFD)的方法,结合动网格技术对扑翼不可压非定常粘性翼型流场进行数值模拟,结果表明:采用扑打和扭转两个自由度的刚性翼与单自由度的柔性翼流场计算结果相差不大。并比较分析了六种不同翼型对扑翼飞行升阻力特性的影响。结果表明:具有较大弯度的S1223翼型的升力系数最大,且推力系数较高,适合作为本样机的次翼翼型;另一种具有较大弯度的2032cjc翼型的推力系数最大,且升力系数较高,适合作为本样机的初翼翼型。在前面研究的基础上,对仿白鹤扑翼系统样机展开详细的设计。制作了一款翼展2.0m,总重575.5g的仿白鹤扑翼系统样机,并设计仿白鹤扑翼系统样机的升力、推力测试实验。试验结果表明,样机的各项设计具有可行性,为进一步的研究奠定基础。
【关键词】：白鹤 扑翼 翼型 数值模拟 升推力系数
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V276;V211.5
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-24
• 1.1 课题背景15
• 1.2 研究的目的和意义15-16
• 1.3 国内外研究现状16-22
• 1.3.1 扑翼飞行理论16-17
• 1.3.2 仿生扑翼飞行器的制作17-21
• 1.3.3 扑翼飞行控制算法21-22
• 1.4 课题主要内容22-24
• 2 扑翼飞行机理分析24-38
• 2.1 扑翼飞行的气动原理24-31
• 2.1.1 固定翼飞行模式24-27
• 2.1.2 旋翼飞行模式27-28
• 2.1.3 扑翼飞行模式28-29
• 2.1.4 三种模式对比总结29-31
• 2.2 鸟类高升力飞行机理的研究31-36
• 2.2.1 鸟类身体的特殊结构31-32
• 2.2.2 鸟类扑翼运动特征和气动力分析32-35
• 2.2.3 鸟类转向机理研究35
• 2.2.4 鸟类尾羽的作用35-36
• 2.3 扑翼系统自身各因素对扑翼气动力的影响36-37
• 2.3.1 扑翼影响36
• 2.3.2 机身的影响36-37
• 2.3.3 尾翼的影响37
• 2.4 本章小结37-38
• 3 扑翼机构的设计38-49
• 3.1 设计要求39
• 3.2 设计方案39-43
• 3.2.1 动力驱动部分40-41
• 3.2.2 折叠机构41-43
• 3.3 ADAMS动力学仿真43-48
• 3.3.1 建立ADAMS仿真模型43
• 3.3.2 仿真结果43-48
• 3.4 本章小结48-49
• 4 基于CFD方法对扑翼飞行气动特性分析49-66
• 4.1 Fluent软件介绍49-50
• 4.1.1 动网格介绍49-50
• 4.2 不可压非定常粘性流场的计算流体力学求解方法50-57
• 4.2.1 控制方程的建立50-52
• 4.2.2 湍流模型介绍及选择52
• 4.2.3 控制方程的离散化处理52-56
• 4.2.4 求解方法的介绍和选择56-57
• 4.3 NACA0012翼型流场求解57-63
• 4.3.1 翼型运动模式及UDF函数的编写57-58
• 4.3.2 翼型网格划分58-59
• 4.3.3 计算结果分析59-63
• 4.4 不同翼型对扑翼翼型流场气动特性的影响63-65
• 4.4.1 不同翼型的选取63-64
• 4.4.2 仿真结果分析64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 仿白鹤扑翼系统样机设计及测试实验66-86
• 5.1 扑翼样机整体系统设计66-77
• 5.1.1 机械系统设计67-71
• 5.1.2 气动系统设计71-74
• 5.1.3 控制系统设计74-77
• 5.2 样机装配77-80
• 5.3 仿白鹤扑翼系统升力测试实验设计80-84
• 5.3.1 实验平台介绍80-83
• 5.3.2 实验数据采集与分析83-84
• 5.4 本章小结84-86
• 6 总结和展望86-88
• 6.1 总结86-87
• 6.2 展望87-88
• 参考文献88-92
• 作者简历92

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