扑翼微飞行器机翼结构设计及优化

论文摘要

微型扑翼飞行器是新材料应用、新技术发展的产物,因其在国民经济各领域尤其在国防领域潜在的应用价值,世界范围内正呈现出微扑翼飞行器研究的热潮。但在总体设计、气动机理、动力源、传动和控制系统研究等方面仍存在诸多关键技术问题。本文综合分析国内外研究现状,针对微扑翼飞行器的机翼设计阶段,做了以下一些工作：首先根据前人的实验并利用高速摄影所得的图片介绍了鸟类和昆虫的飞行过程,探讨了生物的扑翼飞行机理,在此基础上分析了扑翼微飞行器的扑翼原理,并在多坐标系系统内对机翼进行力学分析。从电脑仿真和实际模型两个方案入手,并用实际模型的实验来验证仿真模型可行性。本文通过给机翼加一点集中力来测量指定各点位移并与相对应仿真模型分析结果对比来验证仿真模型。仿真模型通过验证后可以代替实际模型得到实验数据。由于模型的频繁使用,为了减少投入、提高效率采用PATRAN的二次开发语言—PCL对机翼模型进行参数化建模、自动划分网格、自动创建材料和载荷约束。最后了减轻机翼的重量对机翼结构进行优化。确立设计变量,通过均匀设计表设计实验,从而建立响应面,分别得到重量、应力、位移对不同因素水平的响应关系。利用C++语言编写二次响应面程序,把获得的重量响应面作为目标,应力、位移响应面作为约束,利用遗传算法进行优化,.找到满足约束重量最小时的各设计变量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 微型飞行器的定义及由来
• 1.2 扑翼微飞行器的发展及现状
• 1.3 扑翼微飞行器的特点、应用和发展的关键技术
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 扑翼微飞行器飞行机制和力学模型
• 2.1 扑翼微飞行的飞行机制
• 2.1.1 鸟类扑翼飞行过程分析
• 2.1.2 昆虫飞行过程分析
• 2.1.3 扑翼飞行过程分析
• 2.2 扑翼微飞行器运动
• 2.2.1 扑翼运动方程坐标系
• 2.2.2 机体动力学分析
• 2.2.3 机翼空气动力学分析
• 2.2.4 整机动力学分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 扑翼飞行器机翼有限元模型初步建立及实验验证
• 3.1 机翼的模型
• 3.2 在MSC.PATRAN中的有限元模型
• 3.3 实验模型及实验结果
• 3.3.1 实验设计及模型尺寸
• 3.3.2 实验过程及结果
• 3.3.3 实验数据分析
• 3.4 有限元分析结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 扑翼微飞行器机翼参数化建模
• 4.1 PCL二次开发的意义
• 4.2 基于MSC.PATRAN二次开发的程序设计环境
• 4.2.1 PCL的基本概念
• 4.2.2 PCL的变量和常量
• 4.2.3 PCL的控制语句
• 4.2.4 PCL函数
• 4.3 用户自定义界面
• 4.3.1 PATRAN的启动文件
• 4.3.2 PATRAN的会话文件
• 4.3.3 PATRAN的用户界面
• 4.4 本章小结
• 第5章 扑翼微飞行器机翼结构优化
• 5.1 设计变量、目标函数和约束条件
• 5.2 优化方法概述及流程
• 5.2.1 实验设计
• 5.2.2 均匀设计表
• 5.2.3 建立二次响应面
• 5.3 机翼结构优化设计结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录