仿生扑翼飞行器结构设计及其动力学仿真研究

论文摘要

仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器。由于具有体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性好等特点,在国防和民用领域有十分重要而广泛的应用。仿生学和空气动力学研究均表明,对于特征尺寸相当于鸟类或者昆虫的微型飞行器来说,扑翼方式具有更高的飞行效率。本文在综合分析各种常见仿生扑翼飞行器驱动机构的基础上,建立了单曲柄双摇杆驱动机构的运动参数数学模型及其在ADAMS中的仿真模型,同一参数在这两类模型下的运动曲线图完全一致,验证了数学建模与仿真建模的正确性。为了提高单曲柄双摇杆驱动机构的运动对称性,以其左右扑翼角之差和角速度之差的幅值在运动周期内同时尽可能的小为优化目标,在二者数学模型的基础上构造了综合评价函数,并在机械学与仿生学的约束条件下进行了优化设计。所得研究成果为提高同类型驱动机构的运动对称性提供了理论指导,对其它类型的扑翼驱动机构也有很好的借鉴意义。基于对生物飞行尺度律的分析,参考以质量为基本参数的仿生学设计公式,计算出仿生扑翼飞行器的主要结构参数,建立了三维整机模型,并对仿生扑翼飞行器的传动系统及其气动布局包括翅翼结构、尾翼结构进行了详细的设计。在鸟类、昆虫扑翼飞行的生物学原理研究基础上,基于CFD方法对仿生翼的气动力特性进行了数值模拟,分析比较了翅翼的沉浮运动及沉浮与俯仰的联合运动对气动力特性的影响。然后根据气动力的作用机理,利用数值模拟的结果,结合仿生翼的实际参数,计算了仿生扑翼飞行器扑动过程中所受到的气动升力。在ADAMS中建立了仿生扑翼飞行器的整机仿真模型,将气动力计算结果加载到仿真模型翅翼上,仿真得到了样机的动力学状态,分析比较了关键点的受力情况,为将来样机设计制作奠定一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国内外样机研究进展情况
• 1.2.2 国内外理论研究进展情况
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 仿生扑翼驱动机构的分析及优化
• 2.1 常见扑翼驱动机构的分析
• 2.2 单曲柄双摇杆机构的建模
• 2.2.1 驱动机构数学建模
• 2.2.2 仿真结果
• 2.3 驱动机构的优化设计
• 2.3.1 优化过程
• 2.3.2 优化方法
• 2.3.3 优化结果
• 2.3.4 ADAMS 建模
• 2.4 本章小结
• 第3章 仿生扑翼飞行器结构参数设计
• 3.1 生物飞行机理的研究
• 3.1.1 鸟类飞行机理
• 3.1.2 昆虫扑翼的飞行机理
• 3.1.3 鸟类与昆虫扑翼飞行的差异
• 3.2 仿生扑翼飞行器尺度律分析
• 3.2.1 生物飞行的仿生学公式
• 3.2.2 基于尺度律的参数估计
• 3.3 传动系统设计方案
• 3.4 气动布局设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 仿生扑翼飞行器气动力计算
• 4.1 基于CFD 仿生翼的数值模拟
• 4.1.1 扑翼模型的选择与建立
• 4.1.2 扑翼模型的运动方程
• 4.1.3 计算方法与网格验证
• 4.1.4 计算结果与讨论
• 4.2 扑翼气动力计算
• 4.3 本章小结
• 第5章 仿生扑翼飞行器虚拟样机动力学分析
• 5.1 虚拟样机技术
• 5.2 机构运动学及动力学数值分析
• 5.2.1 运动学方程的推导
• 5.2.2 动力学方程的推导
• 5.3 仿生扑翼飞行器动力学仿真
• 5.3.1 仿生扑翼飞行器在ADAMS 中的建模
• 5.3.2 机翼上的气动力加载
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢