仿鸟扑翼飞行器结构设计与气动性能研究

仿鸟扑翼飞行器构造设计与气动性能研究摘要随着科学技术的进展和对学问的进一步探究，人们在仿生学领域和低雷诺数空气动力学方向上的理论争论渐渐成熟，同时也优化了扑翼飞行器的设计与制造。为了提高扑翼飞行器的气动性能，本文从驱动构造和机翼的气动性能两方面进展争论，将几种扑动机构进展了对比，选择单曲柄双摇杆机构作为争论对象，进展了机械建模和运动仿真。针对优化前后两组不同的数据进展运动仿真；同时，以翅翼作为争论对象进展仿真计算，通过压力云图、速度云图和升阻力系数等数据分析，争论了扑翼飞行器机翼的气动性能。争论说明，当振幅为45°时，翅翼外表的升阻比为整组数据的最大值，并且在这种运动状态下，翅翼外表的相对压力较小，翅翼上下外表的压力负担较小，且具备良好的速度特性，翅翼的气动性能最正确。关键词：扑翼飞行器；气动性能；构造设计引言随着科技的进展，对空气动力学的争论逐步完善，但我们不行否认的是，虽然扑翼飞行已经被鸟类或昆虫类娴熟的运用到各个方面，但人们还没有将扑翼飞行成熟的表达在某一产品当中。扑翼飞行器相比于固定翼与旋翼飞行器，能够快速起飞，加速，悬停，具有极高的机动性与敏捷性；可以应用在国防领域和民用领域，完成很多其他飞行器和人类无法完成的任务。与此同时，仿鸟扑翼飞行器需要足够的动力系统，以及轻松但具备肯定强度的构造骨架。因此，争论仿鸟扑翼飞行器构造设计与气动性能有着重要意义。我国对于扑翼飞行器的争论起步于上世纪90年月。张志涛等、曹雅忠等、程登发等、吴孔明和郭予元、彩万志等分别开展了生物飞行动力学、生理学、功能形态学等方面的争论[[1]]。南京航空航天大学曾锐，昂海松等对鸟类扑翼飞行机理进展了深入争论，提出一种的变速、折叠模型，并通过数值计算，认为承受这种模型，升力系数明显增加[[2]]。北京航空航天大学的孙茂等人用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论争论了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，在此根底上探究了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局概念、掌握方式、最大速度、允许重量以及需要功率等问题[[3]][[4][[5]][[6]]。以上的这些理论都能够很好的解释鸟类产生升力的原理，并且能够很好的为扑翼飞行器的制造供给理论支持。本文通过仿照鸟类的飞行特点，从驱动构造和机翼的气动性能两方面进展争论，将几种扑动机构进展了比照，选择单曲柄双摇杆机构作为争论对象，对扑翼飞行器机翼的气动性能进展了争论。扑翼驱动机构的分析与建模分别是单自由度驱动机构和多自由度驱动机构。单自由度驱动机构虽然只能实现还可以在单自由度驱动机构的根底上，另外添加其他简单的运动机构。在现代化已经成型的扑翼机中，多承受如此的驱动机构，其相应的构造设计优化计算与实验设计也已经渐渐成熟，可以满足较高的牢靠性。而多自由度驱动机构虽然能实现多种运动状态，比方扭转运动，但其构造简单，实行起来较为不易。因此，在当前的仿生扑翼飞行器的争论当中，多承受平面曲柄摇杆作为驱动机构。单曲柄双摇杆机构是由四杆机构变形而来，通过驱动曲柄的运动从而带动摇杆的上下扑动，其构造紧凑，且较为简洁，质量轻，易于实现微小化，因此多用于仿生扑翼1以实际制造的仿鸟扑翼飞行器为根底，对驱动机构的各部件尺寸进展改进：，以实际制造的仿鸟扑翼飞行器为根底，对驱动机构的各部件尺寸进展改进：，=35mm，γ=54°；20230r/min，35mm54°，可确定一个支点的位置，完成单曲柄双摇杆机构的建模，图2为改进后的驱动机构建模图。2通过对各局部机构数据的优化，优化后两侧摇杆在同一时刻扑翼角的最大差值为1.7°，通过计算可以得知，优化前后扑翼角差值的最大值降幅为90.23％。可见，通过数据的转变提高了扑翼驱动机构的对称性。扑翼角的幅值是另一个重要的运动参数，鸟类在飞行时，翅翼扑动的幅值越大，其能够获得的推力和升力就越大，而利用优化后的数据建立的单曲柄双摇杆机构的扑翼角度的幅值为51.86°，50°～120°的范围内。针对翅翼的气动性能分析，利用ICEMCFDFluent处理，分析机翼的气动性能。数据处理与结论分析仿鸟扑翼飞行器大多向鸟类一样，以平飞为主，翅翼的扑动频率在10Hz仿鸟扑翼飞行器大多向鸟类一样，以平飞为主，翅翼的扑动频率在10Hz1图3、图4是在入口流场气流速度为5m/s的状况下，扑动频率时，扑动幅度下，翅翼外表压力云图和速度云图。相振幅

相

最

升

阻 升力系数 阻比〔°〕

(pa)

(pa)

(m/s)6.8606

-4.84

5.86

0.04

0.78

0.051.91

927

-1279.0078

43. 1266.92

17.94

70.45.80

760

-1094.7440

43. 1032.38

12.35

81.40.20

655

-908.15

38.

.22

84742

11.19

74.6503633

-867.67

40.

.21

77954

10.93

73.410Hz，且进口流场流速为445°时，翅翼外表的升阻比为整组数据的最大值，并且在这种运动状态下，翅翼外表的相对压力较小，翅翼上下外表的压力负担较小，且具备良好的速度特性，所以认为在此状态下，翅翼的气动性能最正确。结语：通过比较分析不同驱动机构的优缺点，单曲柄双摇杆机构因具有效率同一时刻的差值尽可能的减小，使机构更加具备对称性。当翅翼扑动频率保持在10Hz时，相对压力在振幅从51°减小至36°51°40°时渐渐减小，从40°36°60°36°时先是渐渐增大，翅翼的气动性能最正确。参考文献[[1]][J].机器人技术与应用,2023(06):12-17.[[2]][D].哈尔滨工业大学,2023.[[3]]S.L.Lan,M.Sun.AerodynamicpropertiesofawingperformingunsteadyrotationalmotionsatlowReynoldsnumber[J].ActaMech.2023,149:135-147.[[4]]S.L