考虑弹簧和运动副间隙的微扑翼飞行器翅翼机构动力学研究

论文摘要

基于仿生学原理的微扑翼飞行器在军事和民用上有极其重要的用途,近年来,引起了研究者的特别关注。翅翼机构是微扑翼飞行器中的关键组成部分,其动态特性的好坏直接影响微扑翼飞行器的性能。本论文以一种翅翼机构为研究对象,对其动力学性能进行了深入的研究。仿生研究表明:翅翼机构相当于飞行动物的骨骼和关节,胸部肌肉类似于系统的驱动器,从这点出发,本文研究的翅翼机构为一种包含有弹簧的连杆机构。利用简化的片条理论计算作用于机构上的气动力。气动载荷波动会对电机造成冲击,研究表明:加入适当的弹簧能有效改善这种状况。本文建立了弹簧的优化设计模型,并提出了确定弹簧刚度系数与机构运转频率之间关系式的方法。机构运动中,运动副间隙不可避免。本文利用Dubowsky的冲击副模型建立了含间隙、弹簧和有空气动力作用的机构动力学方程式,求解系统的最大Lyapunov指数,并作出系统运动的Poincare映射。研究表明含间隙翅翼机构在某些特定的机构运转速度、间隙大小和弹簧刚度系数的情况下存在混沌现象。翅翼机构的运动与空气动力学之间有非常强的耦合作用。由于气动力是机构输出构件角速度的函数,因此,翅翼机构混沌运动时,气动力的波动可能会加剧,对飞行不利。为改善这种状况,本文对含间隙翅翼机构的动力综合进行了初步的研究。本论文的建模、优化及仿真工作是利用MATLAB软件完成的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 仿生研究现状
• 1.2.2 含间隙机构研究现状
• 1.3 对翅翼机构研究现状的思考
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 基本理论和方法概述
• 2.1 引言
• 2.2 机械优化设计
• 2.2.1 优化设计数学模型
• 2.2.2 优化方法选择和程序实现
• 2.3 混沌的基本理论
• 2.3.1 混沌定义及特征
• 2.3.2 混沌的识别方法
• 2.3.3 典型的混沌系统
• 2.4 扑翼空气动力学分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 翅翼机构和弹簧参数的优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 仿生翅翼机构设计
• 3.2.1 仿生原理
• 3.2.2 翅翼机构构型设计
• 3.3 翅翼机构运动学和动力学分析
• 3.4 翅翼机构尺寸参数的优化设计
• 3.5 加入弹簧前后机构的运动和受力比较
• 3.6 弹簧参数的优化设计
• 3.6.1 优化设计过程
• 3.6.2 仿真结果
• 3.7 本章小结
• 第4章 含间隙翅翼机构的动力学建模
• 4.1 引言
• 4.2 含间隙翅翼机构的动力学建模
• 4.2.1 含间隙翅翼机构的物理模型
• 4.2.2 含间隙翅翼机构动力学建模
• 4.3 含间隙翅翼机构的动态响应
• 4.4 本章小结
• 第5章 含间隙翅翼机构的混沌动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 含间隙翅翼机构的混沌动力学行为
• 5.2.1 翅翼机构的混沌动力学行为
• 5.2.2 混沌运动时机构的动态响应
• 5.3 主要参数对扑翼机构混沌运动的影响
• 5.3.1 间隙大小对翅翼机构混沌运动的影响
• 5.3.2 弹簧刚度系数对翅翼机构混沌运动的影响
• 5.3.3 曲柄转速对翅翼机构混沌运动的影响
• 5.4 含间隙翅翼机构中弹簧刚度系数的优化设计
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文