仿昆虫微飞行器简化气动力模型的研究

论文摘要

仿昆虫微飞行器具有机动性能好、体积小、能量利用效率高等优点,是目前飞行器领域的研究热点之一,近十年来先后有7篇相关文章在著名杂志Science和Nature上发表。制作实际的“机器知了”,首先需要一个合适的气动力模型,而目前各类文献中的气动力模型,在实际控制中不能同时满足对于精度和实时性的要求。本论文针对昆虫拍翅气动力模型,进行了如下的工作:1、面向工程实际,建立了既能满足精度,又能满足计算实时性要求的昆虫拍翅气动力模型在Dickinson基于经验拟合系数的拍动模型和Ellington USBE模型的基础上,提出了两个气动力模型,即取Dickinson和Ellington两模型优点的用Dickinson实验系数修正后的USBE模型;及将USBE模型在弦展方向扩展后的EUSBE模型。在第三章分别对以上模型进行了各种气动特性的仿真,并与实验结果进行了比较。针对附加质量在拍动中的作用问题,采用了两种不同的建模方法对翅膀周围的流体附加质量进行了建模。一为“基于经验系数的附加质量模型”;二为“由阻力增量推出的附加质量模型”。在第四章,结合前面提出的EUSBE模型,对以上两个模型进行了仿真,并详细分析和讨论了附加质量分量在不同翅膀转动模式下一个周期中主要阶段的不同作用;最后对两个模型进行了横向比较。2、利用以上模型,对所设计的仿蝉翅膀进行了气动特性分析参考蝉的翅膀,设计了一款翅展33毫米的仿蝉翅膀;采用第四章中包含附加质量的EUSBE模型,在第五章中从工程的角度对其各类特性进行了仿真分析和讨论。3、对在建模过程中发现的问题进行了进一步的探索,提出了粘度可能影响附加质量力实际表现的观点针对本文仿真结果与实验结果之间的差异,通过在加/减速阶段采用不同的系数,得到了与实验相当吻合的仿真结果;同时,对薄层变速运动流体的受力分析表明,实际表现出来的附加质量力的幅度可能受流体粘度的影响,从而在第六章提出了流体粘度对附加质量力可能有影响的新观点。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪言
• 1.1 微飞行器（MAV）的定义
• 1.2 微飞行器分类
• 1.2.1 固定翼机型
• 1.2.2 旋翼机型
• 1.2.3 仿生扑翼机型
• 1.3 仿昆虫微飞行器国内外研究现状
• 1.3.1 国外
• 1.3.2 国内
• 1.4 课题的提出
• 1.4.1 包含转动的气动力（EUSBE）模型
• 1.4.2 附加质量效应及建模方法
• 1.4.3 仿蝉翅膀气动特性（力，扭矩，功率）分析
• 1.5 创新点
• 1.6 应用前景
• 1.7 本论文结构
• 1.8 本章小结
• 2 昆虫飞行时翅膀的运动方式
• 2.1 翅膀的运动方式和方程
• 2.2.1 拍动方程
• 2.2.2 转动方程
• 2.2.3 运动方程的仿真结果与实际结果的比较
• 2.2 翅尖拍动轨迹
• 2.3 相似性特征数
• 2.3.1 雷诺数Re
• 2.3.2 斯特劳哈斯数Sr
• 2.4 本章小结
• 3 包含转动的气动力（EUSBE）模型
• 3.1 翅膀形状及运动方程
• 3.1.1 翅膀形状及其形状函数
• 3.1.2 运动方程
• 3.2 Dickinson仅包含拍动的气动力模型
• 3.2.1 阻力和升力系数与攻角的关系
• 3.2.2 纯拍动气动力数学模型
• 3.2.3 仿真结果
• 3.3 Ellington的USBE模型
• 3.3.1 阻力
• 3.3.2 升力
• 3.3.3 仿真结果
• 3.4 用Dickinson实验系数修正后的USBE模型
• 3.4.1 数学模型
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 扩展的USBE模型（EUSBE）
• 3.5.1 考虑转动时的气动力模型
• 3.5.2 仿真结果
• 3.6 EUSBE模型与实验结果的比较
• 3.6.1 瞬时气动力
• 3.6.2 平均气动力系数和拍动幅度及攻角幅度之间的关系
• 3.6.3 结论
• 3.7 本章小结
• 4 流体附加质量效应及其建模
• 4.1 拍动初期的额外气动力
• 4.1.1 拍动初期额外升力来源之争论
• 4.1.2 加速时翅膀上的流体附加质量力
• 4.2 基于经验系数的附加质量模型
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 仿真结果与比较
• 4.2.3 结论
• 4.3 由阻力增量推出的附加质量模型
• 4.3.1 附加质量模型的建立
• 4.3.2 总的气动力模型
• 4.3.3 仿真结果与比较
• 4.3.4 结论
• 4.4 两个模型之间的比较
• 4.4.1 瞬时力与实验吻合度
• 4.4.2 平均气动力系数和拍动幅度及攻角幅度之间的关系
• 4.5 本章小结
• 5 仿蝉翅膀及其气动特性分析
• 5.1 翅膀形状及参数
• 5.1.1 形状
• 5.1.2 翅膀惯量
• 5.1.3 翅膀运动方程
• 5.2 气动力特性分析
• 5.2.1 气动力模型
• 5.2.2 仿真结果
• 5.2.3 讨论和结论
• 5.3 气动扭矩特性
• 5.3.1 扭矩数学模型
• 5.3.2 仿真结果与讨论
• 5.3.3 结论
• 5.4 气动功率特性
• 5.4.1 功率数学模型
• 5.4.2 仿真结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 6 黏性对气动力的影响
• 6.1 包含附加质量时的额外升力
• 6.1.1 流体附加质量系数固定时的结果
• 6.1.2 附加质量系数随加减速符号而改变的结果
• 6.2 变速时流体黏性的可能影响
• 6.3 尾迹捕获和流体粘度
• 6.3.1 尾迹捕获（Wake capture）
• 6.3.2 粘度的影响
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本论文工作总结
• 7.1.1 建立了用Dickinson实验系数修正的USBE模型
• 7.1.2 提出了在弦展方向扩展的EUSBE模型
• 7.1.3 提出了2个包含附加质量的EUSBE模型
• 7.1.4 给出了一仿蝉翅膀的气动特征
• 7.1.5 提出了流体粘度可能对附加质量力影响的观点
• 7.2 研究工作展望
• 7.2.1 理论方面
• 7.2.2 实验方面
• 参考文献
• 附录 读博期间发表和录用论文情况