扑翼微型飞行器多学科设计优化研究

论文摘要

微型飞行器(Micro Air Vehicle,MAV)因尺寸小、重量轻、隐蔽性好等特点,在军事和民用领域具有十分广泛的应用前景,成为国内外研究的热点。鸟类扑翼飞行方式仅靠一对翅膀就可以完成各种复杂的机动飞行,用很小的能量进行长距离飞行,自然界的飞行生物无一例外采用扑翼方式飞行。扑翼微型飞行器仅仅使用一套扑翼系统就可以提供飞行所需要的升力和推力并具备较强的机动性。扑翼微型飞行器不需要螺旋桨或喷气发动机,大大简化结构,降低机体重量,这是与固定翼和旋翼微型飞行器相比所有的独特优点,因此扑翼微型飞行器必将在新概念飞行器研究领域占有重要地位。如何实现扑翼微型飞行器总体性能最优化是扑翼微型飞行器的一个重要研究方向。本文分析了飞行生物的飞行方式、飞行原理和翅膀的扑动模式等,为扑翼微型飞行器的设计和优化提供理论和仿生学依据。在扑翼微型飞行器的设计和优化工作中,扑翼的气动特性是最基础的问题和难点,了解和认识扑翼在不同运动参数下的气动特性,是对扑翼微型飞行器的设计和优化的依据。本文以南京航空航天大学微型飞行器研究中心研制的“银翅”扑翼微型飞行器为基础,建立柔性扑翼模型,对三维柔性扑翼的非定常低雷诺数流场进行数值模拟,分析各种参数对扑翼气动特性的影响,为扑翼微型飞行器多学科设计优化奠定基础。多学科设计优化是一种解决复杂工程系统和多学科动态影响并实现优化设计的有效方法和工具,90年代初由美国AIAA正式率先提出。其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中集成各个学科的知识,并充分考虑各门学科之间的互相影响和耦合作用,应用有效的设计/优化策略和分布式计算机网络系统,来组织和管理整个系统的设计过程,通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同作用,以获得系统的整体最优解。MDO最突出的优点在于可以通过充分考虑各学科之间的互相影响和耦合作用来挖掘设计潜力,此外,MDO还具有可以缩短设计周期、降低研制费用等优点。本文分析研究了多学科设计优化的相关方法,通过对组成扑翼微型飞行器的相关学科分析,采用多学科设计优化的方法,对扑翼微型飞行器的设计进行优化,获得了比较好的结果,利用优化后的结果参数对扑翼微型飞行器进行改进设计并进行了飞行试验验证,为扑翼微型飞行器的设计和改型提供了综合设计手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 微型飞行器及其应用前景
• 1.2.1 微型飞行器的由来及定义
• 1.2.2 微型飞行器的应用前景
• 1.3 微型飞行器及的发展现状
• 1.3.1 固定翼微型飞行器
• 1.3.2 旋翼微型飞行器
• 1.3.3 扑翼微型飞行器
• 1.3.4 三种布局形式微型飞行器的比较
• 1.3.5 扑翼微型飞行器的关键技术
• 1.4 多学科设计优化
• 1.4.1 多学科设计优化的定义
• 1.4.2 多学科设计优化的发展现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 扑翼生物飞行原理研究
• 2.1 引言
• 2.2 鸟类与昆虫的翅膀构造特点
• 2.2.1 鸟类的翅膀
• 2.2.2 昆虫的翅膀
• 2.3 扑翼飞行的基本原理
• 2.3.1 鸟类的飞行原理
• 2.3.2 昆虫的飞行原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 扑翼的气动特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 非定常流场求解方法
• 3.2.1 流体控制方程
• 3.2.2 流体控制方程的离散与求解
• 3.2.3 动态网格生成
• 3.2.4 算例验证
• 3.3 扑翼计算模型
• 3.3.1 扑翼微型飞行器实物
• 3.3.2 计算网格的生成
• 3.3.3 扑翼运动参数的定义
• 3.4 结果分析
• m 对其气动性能的影响'>3.4.1 平均扑动角Φ_m对其气动性能的影响
• 0 对其气动性能的影响'>3.4.2 扑动幅度Φ₀对其气动性能的影响
• 3.4.3 扑动频率f 对其气动性能的影响
• m, tip 对其气动性能的影响'>3.4.4 平均俯仰角α_{m, tip} 对其气动性能的影响
• 0 ,tip 对其气动性能的影响'>3.4.5 俯仰幅度α_{0 ,tip}对其气动性能的影响
• 3.4.6 来流速度v 对其气动性能的影响
• 3.4.7 来流迎角α对其气动性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 多学科设计优化方法
• 4.1 引言
• 4.2 多学科设计优化方法的数学模型
• 4.3 多学科设计优化方法的理论基础
• 4.3.1 多学科设计优化策略
• 4.3.2 多岛遗传算法
• 4.3.3 代理模型
• 4.4 扑翼微型飞行器多学科优化设计技术
• 4.4.1 适用于扑翼微型飞行器的多学科设计优化策略
• 4.4.2 适用于扑翼微型飞行器的代理模型技术
• 4.5 本章小结
• 第五章 扑翼微型飞行器多学科设计优化的实现
• 5.1 引言
• 5.2 优化目标
• 5.3 学科分析
• 5.3.1 气动学科分析
• 5.3.2 能源与动力系统学科分析
• 5.4 扑翼微型飞行器多学科耦合系统分析
• 5.5 建立扑翼微型飞行器多学科设计优化模型
• 5.5.1 构造代理模型
• 5.5.2 代理模型精度分析
• 5.5.3 优化结果
• 5.6 扑翼微型飞行器飞行试验
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文