哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-1加州大学伯克利分校的MF) 图1-2乔治亚理工学院的Entomopter9y Fig.1-1 The MFI of University of California, Fig.1-2 The Entomopter of Georgia Institute Berkeley of Technology 另外，由加州大学和Aerovironment公司及加州理工学院共同研制了扑翼 型MAV,名为"Microbat",如图1-3所示2o。该微型飞行器的研究人员通过 大量试验研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特性，并制作了一种轻型传 动机构将微电机的转动转变为机翼的振动。试验中，该飞行器的机翼能以 20Hz的频率进行振动，采用Nicad电池作为动力源，并在非控制条件下进行 了18秒、46米远的飞行试验。这也是迄今为止文献公开报道的、有技术细节 的、可以持续飞行的扑翼MAV,并且于2002年8月，该飞行器创下飞行22 分钟45秒的航时新记录。 美国斯坦福研究中心(SRI)和多伦多大学在DARPA的资助下，也在共同研 究一种微扑翼飞行器"Mentor"21,2,如图1-4所示，它有4片由“人工肌肉” 驱动的扑动机翼和用来保持稳定的尾翼，整个飞行器约30厘米，重不到0.5千 克，并于2002年2月成为世界上第一架成功悬浮空中的微扑翼飞行器。研制 人员希望能够把它缩小至蜂鸟大小，这样便可以被用于监视工作了。 此外，DARPA还资助了基于弹性动力的和基于热动力的扑翼飞行器研究 工作，并且其它几种类型的微扑翼飞行机构也正在研制并取得了一定的成功。 -4-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 另外，由加州大学和 Aerovironment 公司及加州理工学院共同研制了扑翼 型 MAV，名为 "Microbat"，如图 1-3 所示[20]。该微型飞行器的研究人员通过 大量试验研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特性，并制作了一种轻型传 动机构将微电机的转动转变为机翼的振动。试验中，该飞行器的机翼能以 20Hz 的频率进行振动，采用 Nicad 电池作为动力源，并在非控制条件下进行 了 18 秒、46 米远的飞行试验。这也是迄今为止文献公开报道的、有技术细节 的、可以持续飞行的扑翼 MAV，并且于 2002 年 8 月，该飞行器创下飞行 22 分钟 45 秒的航时新记录。 美国斯坦福研究中心(SRI)和多伦多大学在 DARPA 的资助下，也在共同研 究一种微扑翼飞行器 "Mentor" [21, 22]，如图 1-4 所示，它有 4 片由“人工肌肉” 驱动的扑动机翼和用来保持稳定的尾翼，整个飞行器约 30 厘米，重不到 0.5 千 克，并于 2002 年 2 月成为世界上第一架成功悬浮空中的微扑翼飞行器。研制 人员希望能够把它缩小至蜂鸟大小，这样便可以被用于监视工作了。 此外，DARPA 还资助了基于弹性动力的和基于热动力的扑翼飞行器研究 工作，并且其它几种类型的微扑翼飞行机构也正在研制并取得了一定的成功。 图 1-1 加州大学伯克利分校的 MFI[19] 图 1-2 乔治亚理工学院的 Entomopter[19] Fig. 1-1 The MFI of University of California, Fig. 1-2 The Entomopter of Georgia Institute Berkeley of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-3加州理工学院(Caltech)的Microbat!9图1-4美国斯坦福研究中心的Mentor Fig.1-3 The Microbat of Caltech Fig.1-4 The Mentor of SRI 1.2.2国内仿生微扑翼飞行器研究的现状 我国在仿生微扑翼飞行器方面的研究起步相对较晚，但国内科学家们始终 关注着其发展动态，并也己经开始这方面的基础和应用研究工作。清华大学的 曾理江等人重点进行了昆虫运动机理研究和应用以及有关昆虫运动参数的测量 和分析，在此基础上建立了昆虫运动模型，研究了昆虫运动机理232)。北京航 空航天大学的孙茂等人用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型 昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，在此基 础上探索了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局新概念、新控制方式、最大 速度、允许重量以及需要功率等问题26。南京航空航天大学的昂海松等人通 过非定常涡格法计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气动特性)，并随后进行了在 柔性扑翼模型的建立及其功率和气动特性方面的研究B4,3均)。 另外，上海交通大学正在研究翼展50~60mm的基于电磁和基于压电驱动 的扑翼MAV方案。西北工业大学目前也正在研制微扑翼飞行器，飞机采用聚 合物锂电池和微型电动机驱动，碳纤维机架，柔性机翼，全机重量约为15g, 扑翼频率15~20Hz,由于受电池容量限制，飞行时间约8~18s,试验样机己经 -5
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 1.2.2 国内仿生微扑翼飞行器研究的现状 我国在仿生微扑翼飞行器方面的研究起步相对较晚，但国内科学家们始终 关注着其发展动态，并也已经开始这方面的基础和应用研究工作。清华大学的 曾理江等人重点进行了昆虫运动机理研究和应用以及有关昆虫运动参数的测量 和分析，在此基础上建立了昆虫运动模型，研究了昆虫运动机理[23~25]。北京航 空航天大学的孙茂等人用 Navier-Stokes 方程数值解和涡动力学理论研究了模型 昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，在此基 础上探索了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局新概念、新控制方式、最大 速度、允许重量以及需要功率等问题[26~32]。南京航空航天大学的昂海松等人通 过非定常涡格法计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气动特性[33]，并随后进行了在 柔性扑翼模型的建立及其功率和气动特性方面的研究[34, 35]。 另外，上海交通大学正在研究翼展 50~60mm 的基于电磁和基于压电驱动 的扑翼 MAV 方案。西北工业大学目前也正在研制微扑翼飞行器，飞机采用聚 合物锂电池和微型电动机驱动，碳纤维机架，柔性机翼，全机重量约为 15g， 扑翼频率 15~20Hz，由于受电池容量限制，飞行时间约 8~18s，试验样机已经 图 1-3 加州理工学院 (Caltech) 的 Microbat[19] 图 1-4 美国斯坦福研究中心的 Mentor[19] Fig. 1-3 The Microbat of Caltech Fig. 1-4 The Mentor of SRI
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 在低速风洞中进行了风洞试验。并且南京航空航天大学在2004年4月也成功 研制了国内第一架能在空中悬浮飞行的扑翼飞行器。还有东南大学和扬州大学 目前也已就仿生扑翼飞行机构的机理分析、扑翼飞行试验测试平台的建立等方 面进行了联合攻关和探讨，并取得初步成效。 总体而言，国内在这方面的研究与国外相比尚有一定差距，尤其在实践方 面更是如此，所以我国在仿生微扑翼飞行器方面的研究可谓任重而道远。 1.3课题研究的主要内容 本课题主要是基于有限元及空气动力学相关理论，对蜻蜓飞行时翅翼拍动 时的流固耦合作用进行分析，并在此基础上研制一台用于模拟蜻蜓飞行是翅翼 拍动的试验装置。课题研究的主要内容包括： 1.蜻蜓飞行时翅翼拍动的流固耦合流场分析 1)蜻蜓翅翼的有限元模型的建立根据蜻蜓翅翼样本，模仿其几何外形及 结构布局，建立与真实结构相仿的几何物理模型，然后通过设定适当的单元类 型，建立起三维的仿蜻蜓前、后翅翼的有限元模型。 2)蜻蜓飞行时翅翼拍动时的流固耦合作用分析根据蜻蜓飞行时翅翼的拍 动动作，在对实际情况进行一定简化的基础上对其前翅进行流场计算，根据计 算得到的空气对翅翼的反作用力作为载荷对翅翼进行静力学分析，并将翅翼的 变形代回空气动力学模型中进行计算，分析不同拍翅频率下的效果。 2.仿生微扑翼飞行器试验装置研制。 根据现有的对蜻蜓飞行机理的了解研制一台用于模拟蜻蜓飞行时拍翅的动 作的试验设备，该台试验设备包括能够输出模拟拍动的机构，并且有一套用于 控制拍动动作的控制系统。 3.仿生微扑翼飞行器试验装置研制性能测试。 对研制的试验装置进行软件功能、位移输出与动态响应特性以及固有频率 的测试，并将测试结果与装置的设计目标进行比较，以判断试验装置是否能够 用于模拟试验。 -6
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 在低速风洞中进行了风洞试验。并且南京航空航天大学在 2004 年 4 月也成功 研制了国内第一架能在空中悬浮飞行的扑翼飞行器。还有东南大学和扬州大学 目前也已就仿生扑翼飞行机构的机理分析、扑翼飞行试验测试平台的建立等方 面进行了联合攻关和探讨，并取得初步成效。 总体而言，国内在这方面的研究与国外相比尚有一定差距，尤其在实践方 面更是如此，所以我国在仿生微扑翼飞行器方面的研究可谓任重而道远。 1.3 课题研究的主要内容 本课题主要是基于有限元及空气动力学相关理论，对蜻蜓飞行时翅翼拍动 时的流固耦合作用进行分析，并在此基础上研制一台用于模拟蜻蜓飞行是翅翼 拍动的试验装置。课题研究的主要内容包括： 1. 蜻蜓飞行时翅翼拍动的流固耦合流场分析 1) 蜻蜓翅翼的有限元模型的建立 根据蜻蜓翅翼样本，模仿其几何外形及 结构布局，建立与真实结构相仿的几何物理模型，然后通过设定适当的单元类 型，建立起三维的仿蜻蜓前、后翅翼的有限元模型。 2) 蜻蜓飞行时翅翼拍动时的流固耦合作用分析 根据蜻蜓飞行时翅翼的拍 动动作，在对实际情况进行一定简化的基础上对其前翅进行流场计算，根据计 算得到的空气对翅翼的反作用力作为载荷对翅翼进行静力学分析，并将翅翼的 变形代回空气动力学模型中进行计算，分析不同拍翅频率下的效果。 2. 仿生微扑翼飞行器试验装置研制。 根据现有的对蜻蜓飞行机理的了解研制一台用于模拟蜻蜓飞行时拍翅的动 作的试验设备，该台试验设备包括能够输出模拟拍动的机构，并且有一套用于 控制拍动动作的控制系统。 3. 仿生微扑翼飞行器试验装置研制性能测试。 对研制的试验装置进行软件功能、位移输出与动态响应特性以及固有频率 的测试，并将测试结果与装置的设计目标进行比较，以判断试验装置是否能够 用于模拟试验
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章仿生微扑翼飞行器机翼有限元模型的建立 2.1仿蜻蜓翅翼有限元模型的建立 有限元模型(Finite Element Model)是进行有限元分析的计算模型，它为有 限元计算提供所有必需的原始数据，是整个有限元分析过程的关键，因此，模 型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以 及计算能否完成。建立有限元模型的一般过程如图2-1所示B6。 、软件单元库) 问 几 单 网 模 边 实际结构 何 元 单元特性定义 格 型 有限元模型 设计方案 定 型选 件定 计算 划 检 义 型建立 分 验 结果比较一测试 模型修正 图2-1有限元建模的一般步骤 Fig.2-1 General process for finite element modeling 根据建模的一般步骤，下面将分别对蜻蜓仿生翅翼的几何物理模型建立、 单元类型选择、材料特性定义以及有限元网格划分等内容进行展开。 2.1.1仿蜻蜓翅翼几何物理模型的建立 各种昆虫均是最为灵活机动的飞行器，尽管很多飞行方式相当简单，但是 某些昆虫，如蜻蜓通过其脉络分布的翅翼结构以及特殊的振翅机制显示出惊人 -7
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 第2章 仿生微扑翼飞行器机翼有限元模型的建立 2.1 仿蜻蜓翅翼有限元模型的建立 有限元模型(Finite Element Model)是进行有限元分析的计算模型，它为有 限元计算提供所有必需的原始数据，是整个有限元分析过程的关键，因此，模 型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以 及计算能否完成。建立有限元模型的一般过程如图 2-1 所示[36]。 图 2-1 有限元建模的一般步骤 Fig. 2-1 General process for finite element modeling 根据建模的一般步骤，下面将分别对蜻蜓仿生翅翼的几何物理模型建立、 单元类型选择、材料特性定义以及有限元网格划分等内容进行展开。 2.1.1 仿蜻蜓翅翼几何物理模型的建立 各种昆虫均是最为灵活机动的飞行器，尽管很多飞行方式相当简单，但是 某些昆虫，如蜻蜓通过其脉络分布的翅翼结构以及特殊的振翅机制显示出惊人 问 题 定 义 几 何 模 型 建 立 单 元 类 型 选 择 单 元 特 性 定 义 网 格 划 分 模 型 检 验 边 界 条 件 定 义 软件单元库 计算 结果比较 有限元模型 模型修正 实际结构 设计方案 测试
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的特技飞行性能。而且现在已经越来越清楚，蜻蜓的各种飞行技巧和飞行方式 大半是来源它们微妙复杂的翅翼结构。 本节对真实的蜻蜓翅翼进行仿生建模，以捕捉到的蜻蜓翅翼样本作为实体 模型，并结合其几何外形以及翅脉的结构布局，以期建立起蜻蜓前、后翅仿生 翼的几何结构模型。在本文中，将对我国北方最常见的黄蜻（又名薄翅蜻蜓） 进行研究。蜻蜓翅翼如图2-2和图2-3所示。 图2-2蜻蜓前翅 图2-3蜻蜓后翅 Fig.2-2 The forewing of dragonfly Fig.2-3 The hindwing of dragonfly 为了建立更加真实的翅翼有限元模型，首先需要对翅翼的相关参数进行测 量。需测量的尺寸有：翅长、翅翼弦长、翅脉直径、翅膜厚度等参数。 翅长、弦长较好测量，使用游标卡尺即可完成测量。蜻蜓翅翼的相关参数 见表2-1 表2-1蜻蜓翅翼的相关参数 Table 2-1 The parameters of dragonfly wings 翅长Rmm) 展弦比 前、后翅平均弦长 翅重M(mg) C(mm) 前翅 43.32 11.63 8.6 754 后翅 42.29 8.4 12.11 根据国内外对翅翼的观察分析，蜻蜓翅翼是由坚韧而又富有弹性的翅膜及 支撑翅膜的相当刚硬的沿翅翼纵向外伸的翅脉以及将纵脉相互连接到一起的若 干横脉组成，翅脉一般呈管状，其内一般均包含有血管和充满空气的气管7。 所以，对于翅脉、翅膜的尺寸测量有一定的难度。 翅脉尺寸参数的测量，使用电子显微镜进行拍照测量，如图2-4所示 8
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 的特技飞行性能。而且现在已经越来越清楚，蜻蜓的各种飞行技巧和飞行方式 大半是来源它们微妙复杂的翅翼结构。 本节对真实的蜻蜓翅翼进行仿生建模，以捕捉到的蜻蜓翅翼样本作为实体 模型，并结合其几何外形以及翅脉的结构布局，以期建立起蜻蜓前、后翅仿生 翼的几何结构模型。在本文中，将对我国北方最常见的黄蜻（又名薄翅蜻蜓） 进行研究。蜻蜓翅翼如图 2-2 和图 2-3 所示。 图 2-2 蜻蜓前翅 图 2-3 蜻蜓后翅 Fig. 2-2 The forewing of dragonfly Fig. 2-3 The hindwing of dragonfly 为了建立更加真实的翅翼有限元模型，首先需要对翅翼的相关参数进行测 量。需测量的尺寸有：翅长、翅翼弦长、翅脉直径、翅膜厚度等参数。 翅长、弦长较好测量，使用游标卡尺即可完成测量。蜻蜓翅翼的相关参数 见表 2-1 表 2-1 蜻蜓翅翼的相关参数 Table 2-1 The parameters of dragonfly wings 翅长 R(mm) 展弦比 前、后翅平均弦长 C(mm) 翅重 M (mg) 前翅 43.32 11.63 8.6 754 后翅 42.29 8.4 12.11 根据国内外对翅翼的观察分析，蜻蜓翅翼是由坚韧而又富有弹性的翅膜及 支撑翅膜的相当刚硬的沿翅翼纵向外伸的翅脉以及将纵脉相互连接到一起的若 干横脉组成，翅脉一般呈管状，其内一般均包含有血管和充满空气的气管[37]。 所以，对于翅脉、翅膜的尺寸测量有一定的难度。 翅脉尺寸参数的测量，使用电子显微镜进行拍照测量，如图 2-4 所示