仿生扑翼飞行器的气动力与驱动机构研究

发布时间：2017-08-25 08:03

  本文关键词：仿生扑翼飞行器的气动力与驱动机构研究

  更多相关文章： 仿昆扑翼飞行器 柔性翅 ∞字驱动机构 谐波理论 改进叶素理论 数值模拟

【摘要】：扑翼飞行器因其不同于常见的固定翼飞行器和旋翼飞行器而吸引着人们的广泛关注,其仅依靠翅膀的上下扑动就可以同时产生前进所需的前推力以及所需的上升力,这种飞行器具有灵活机动性好,飞行所需能耗少,机体结构小型紧凑的特点。以模仿蜜蜂飞行轨迹为目标,本文在总结现有扑翼飞行空气动力学理论的基础上,从扑动空气动力学、机械仿生学和机构综合学等方面出发,对仿生扑翼飞行的飞行气动机理、翅膀结构与设计、扑动飞行轨迹的描述、扑翼机器人驱动机构的设计以及翼面气动特性的分析等进行深入细致的研究,主要包括以下内容:将翅翼视为柔性翅,研究其动力学性能,探索其在给定激励函数下的响应问题,为后期电机与驱动机构的设计提供特性匹配。分析表明,其响应函数能很好地适应翅膀的扑翼运动,但是,翅变形存在突变的情况,不利于结构的稳定,也不能提供大的升力。在此基础上,提出翅膀的结构优化,优化结果表明,优化后的翅膀很好地避免了翅膀的突变,其响应函数也能很好地满足使用要求。从简单到复杂,分别设计平面∞字型驱动机构和空间∞字型驱动机构。对于平面∞字型飞行驱动机构,采用谐波特征参数法,通过提取四连杆在复数范围内系数,建立四连杆机构的数值图谱,并利用模糊聚类模型,完成连杆机构参数的初步设计。在求解完各个杆件的相对尺寸后,为确定具体设计和安装尺寸,分别建立杆件平移矩阵,旋转矩阵和缩放矩阵。最终综合出平面∞字型驱动机构的完整尺寸参数,并结合机构的速度和加速度完成机构扑翼飞行的运动学分析。对于空间∞字型驱动机构,根据飞行轨迹空间球面的特点采用RRRRS空间五杆五副驱动机构,虽未能精确地建立空间结构的数学模型,但是还是根据4RS机构的特性完成了机构的近似设计。利用仿真分析得出其飞行轨迹与理想运动轨迹吻合度较好。对于扑翼飞行的气动力,首先针对自然界飞行生物的扑翼飞行原理,以昆虫为研究重点,从身体构造、翅膀结构、扑动方式、阻力消除、能量损失方面系统全面地阐述了扑翼飞行方式的高升力机理。研究结果表明相对于固定翼和旋翼飞行,扑翼飞行对能量的利用率更高,尤其是在低速、低雷诺数状态下。其次定义扑翼飞行的几何参数和动力学参数,通过改进非定常叶素理论分析扑翼飞行的空气动力学特性。根据扑翼飞行特点分析确定数值模拟的主控方程、边界条件和动网格的划分,得出了数值模拟的结果,并结合扑翼特点对数值模拟结果进行了详细的分析。
【关键词】：仿昆扑翼飞行器 柔性翅 ∞字驱动机构 谐波理论 改进叶素理论 数值模拟
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V276;V211.5
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 论文研究的背景及意义13-16
• 1.1.1 微型固定翼飞行器(Fixed Wing MAVs)14-15
• 1.1.2 微型旋翼飞行器(Rotary Wing MAVs)15-16
• 1.1.3 微型扑翼飞行器(Flapping Wing MAVs)16
• 1.2 仿生扑翼飞行器研究进展介绍16-21
• 1.2.1 国外关于仿生扑翼飞行器的研究现状介绍16-18
• 1.2.2 国内关于仿生扑翼飞行器的研究现状介绍18-20
• 1.2.3 国内外仿生扑翼飞行器研究现状分析20-21
• 1.3 本文主要研究内容21-23
• 第二章 仿生扑翼飞行器翅翼结构的动力学分析与优化23-38
• 2.1 引言23
• 2.2 扑翼飞行器翅翼的结构模型23-24
• 2.3 扑翼飞行器翅翼结构动力学分析与求解24-32
• 2.3.1 建立有限元模型24-26
• 2.3.2 K、M和C的求解26-28
• 2.3.3 总模型合成28-29
• 2.3.4 求解有限元模型29-32
• 2.4 扑翼飞行器扑翼翅优化设计32-36
• 2.4.1 建立优化模型32-33
• 2.4.2 拟定待优化方案33
• 2.4.3 设定优化结果优劣评定准则33-34
• 2.4.4 优化结果分析34-36
• 2.5 翅膀颤振的模态试验36
• 2.6 本章小结36-38
• 第三章 仿生扑翼飞行器驱动机构设计与综合38-61
• 3.1 仿生扑翼飞行器驱动机构简介38-40
• 3.2 昆虫运动的机构运动学分析40-41
• 3.3 平面∞字型驱动机构设计与综合41-53
• 3.3.1 求解连杆在任意配置条件下轨迹谐波理论模型43-45
• 3.3.2 根据数值图谱提取连杆机构尺寸型45-47
• 3.3.3 图形平移、旋转和缩放47-49
• 3.3.4 平面∞字型驱动机构的机构简图与三维实体建模49-50
• 3.3.5 平面∞字型驱动机构的机构动力学分析50-53
• 3.4 空间∞字型驱动机构53-59
• 3.4.1 空间∞字型飞行轨迹的确定53-55
• 3.4.2 空间∞字型驱动机构的设计55-57
• 3.4.3 空间∞字型驱动机构的机构动力学分析57-59
• 3.5 本章小结59-61
• 第四章 仿生扑翼飞行器机翼的气动力特性分析与计算61-80
• 4.1 昆虫的扑翼飞行机理分析61-64
• 4.1.1 前缘涡理论（Leading Edge Vortex）61-62
• 4.1.2 旋转力矩理论（Rotational Force）62-63
• 4.1.3 虚拟质量效应理论（Virtual mass force）63
• 4.1.4 尾迹捕获效应（Wing Capture）63-64
• 4.1.5 拍合飞行效应（Clap and Fling Effect）64
• 4.2 扑翼飞行气动力分析基础64-67
• 4.2.1 扑翼飞行器的机身和机翼的几何参数64-66
• 4.2.2 扑翼飞行器机翼的低速气动特性66-67
• 4.3 基于非定常叶素理论的飞行器气动力特性分析67-70
• 4.3.1 前飞力68
• 4.3.2 附加质量力68-69
• 4.3.3 旋转力69
• 4.3.4 惯性力69-70
• 4.4 仿生扑翼飞行器气动特性的数值计算70-79
• 4.4.1 数值模拟求解的主控方程70-71
• 4.4.2 数值模拟求解的湍流模型71-72
• 4.4.3 数值模拟求解的边界条件72
• 4.4.4 数值模拟求解的网格划分72-74
• 4.4.5 数值模拟计算的结果与分析74-79
• 4.5 本章小结79-80
• 第五章 总结与展望80-83
• 5.1 本文研究工作进展总结80-81
• 5.2 本论文的创新点81-82
• 5.3 下一步研究工作中建议82-83
• 参考文献83-87
• 附录87-89
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果89-90
• 致谢90-91

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本文编号：735941