哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a)翅脉截面图 b)翅脉放大照片 图2-4蜻蜓翅脉 Fig.2-4 Wing pipe of dragonfly wings 根据标尺比例读数，得到翅翼较粗翅脉外径为130μ；较细翅脉外径为 55um。根据相关文献所得到的结果B7,翅脉应该成管状，但是，通过图2-4 可以看出，翅脉结构为疏松多孔状，在翅翼剥离蜻蜓身体后，血管会凝固，所 以无法清晰的观察到这种管结构。在这里，我们使用国外学者观察到的数据。 图25蜻蜓翅膜显微照片 Fig.2-5 Microgram of dragonfly wing's Membrane 由于蜻蜓翅膜的尺寸非常小，所以使用原子力显微镜(AFM)进行观察量， 如图2-6所示。得到翅膜尺寸为4.14μm。 根据蜻蜓翅翼的几何结构布局以及表2-1中的相关参数，利用Autodesk -9
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - a) 翅脉截面图 b) 翅脉放大照片 图 2-4 蜻蜓翅脉 Fig. 2-4 Wing pipe of dragonfly wings 根据标尺比例读数，得到翅翼较粗翅脉外径为 130m；较细翅脉外径为 55m。根据相关文献所得到的结果[37]，翅脉应该成管状，但是，通过图 2-4 可以看出，翅脉结构为疏松多孔状，在翅翼剥离蜻蜓身体后，血管会凝固，所 以无法清晰的观察到这种管结构。在这里，我们使用国外学者观察到的数据。 图 2-5 蜻蜓翅膜显微照片 Fig. 2-5 Microgram of dragonfly wing’s Membrane 由于蜻蜓翅膜的尺寸非常小，所以使用原子力显微镜（AFM）进行观察量， 如图 2-6 所示。得到翅膜尺寸为 4.14m。 根据蜻蜓翅翼的几何结构布局以及表 2-1 中的相关参数，利用 Autodesk
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Raster Design、ANSYS等应用软件对翅翼样本进行处理，最后得到相应的前、 后翅仿生翼的几何结构模型，分别如图2-6和图2-7所示。 T工 图2-6蜻蜓前翅翼的几何结构 Fig.2-6 The forewing geometry of dragonfly 图2-7蜻蜓后翅翼的几何结构 Fig.2-7 The hindwing geometry of dragonfly 由于在建模过程中，始终基于蜻蜓翅翼的样本，且由图2-4和图2-5所示 结构可见，所建的蜻蜓仿生翼模型与真实前、后翅翼的几何外形及脉络布局均 非常接近，这便为下一步计算的精确性提供了一定的依据。 需要说明的是，由于蜻蜓翅翼实际结构的复杂性以及试验条件的限制，本 次建立的模型为二维平面模型，在计算时通过选用适当的单元类型来实现三维 仿生翼结构的计算。具体的单元类型选用及特性定义，将尽量参考蜻蜓翅翼的 实际参数进行选取，详细见下面的章节。 2.1.2单元类型的选择 本课题主要使用的有限元软件ANSYS8.0单元库中提供了220多种单元 类型，以满足不同情况的工程分析。单元类型决定了单元的自由度数和单元位 于二维空间还是三维空间，即单元确定之后，则分析的物理环境也随之确定， -10-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - Raster Design、ANSYS 等应用软件对翅翼样本进行处理，最后得到相应的前、 后翅仿生翼的几何结构模型，分别如图 2-6 和图 2-7 所示。 图 2-6 蜻蜓前翅翼的几何结构 Fig. 2-6 The forewing geometry of dragonfly 图 2-7 蜻蜓后翅翼的几何结构 Fig. 2-7 The hindwing geometry of dragonfly 由于在建模过程中，始终基于蜻蜓翅翼的样本，且由图 2-4 和图 2-5 所示 结构可见，所建的蜻蜓仿生翼模型与真实前、后翅翼的几何外形及脉络布局均 非常接近，这便为下一步计算的精确性提供了一定的依据。 需要说明的是，由于蜻蜓翅翼实际结构的复杂性以及试验条件的限制，本 次建立的模型为二维平面模型，在计算时通过选用适当的单元类型来实现三维 仿生翼结构的计算。具体的单元类型选用及特性定义，将尽量参考蜻蜓翅翼的 实际参数进行选取，详细见下面的章节。 2.1.2 单元类型的选择 本课题主要使用的有限元软件 ANSYS 8.0 单元库中提供了 220 多种单元 类型，以满足不同情况的工程分析。单元类型决定了单元的自由度数和单元位 于二维空间还是三维空间，即单元确定之后，则分析的物理环境也随之确定
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 因此，选择合适的单元类型是进行各类有限元分析的基点8)。要想知道对应于 某个分析对象选择的单元是否合适，除了必须充分了解分析对象外，还要对所 选择的单元的输入、输出信息，尤其是内部结构有比较清晰的认识。 由翅脉的结构为中间有孔的管状结构，在模型计算时便可选用Pe单元 (elastic straight3D-Pipe16with2 nodes),如图2-8所示。 翅膜部分选用薄壳单元(plastic shell43with4 nodes),如图2-9所示。选择 这种单元主要因为它具有弯曲及薄膜特性，与平面同方向及法线方向的负载皆 可承受，并且元素具有x,y,z位移方向及x,y,z轴旋转方向的6个自由度。 2 ®P PZ Trian gular Opon 图2-8单元Pipe16 图2-9单元Shell43 Fig.2-8 Pipe16 Element Fig.2-9 Shell 43 Element 2.1.3单元特性的定义 有限元模型中除了表现出一定的外部形状（网格）外，还应该具备计算所 需要的内部数据，包括物理特性、材料特性等。这些数据定义的正确与否，将 直接影响计算结果的正确程度。 Pipe16单元：a.较粗翅脉外径：0.130mm;壁厚：0.025mm b.较细翅脉外径：0.055mm;壁厚：0.015mm. Shell43单元：厚度设为0.004mm. 蜻蜓翅翼是一种超级的天然复合材料，它的材料特性，尤其是它的强度之 -11-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 因此，选择合适的单元类型是进行各类有限元分析的基点[38]。要想知道对应于 某个分析对象选择的单元是否合适，除了必须充分了解分析对象外，还要对所 选择的单元的输入、输出信息，尤其是内部结构有比较清晰的认识。 由翅脉的结构为中间有孔的管状结构，在模型计算时便可选用 Pipe 单元 (elastic straight 3D-Pipe16 with 2 nodes)，如图 2-8 所示。 翅膜部分选用薄壳单元(plastic shell43 with 4 nodes)，如图 2-9 所示。选择 这种单元主要因为它具有弯曲及薄膜特性，与平面同方向及法线方向的负载皆 可承受，并且元素具有 x，y，z 位移方向及 x，y，z 轴旋转方向的 6 个自由度。 2.1.3 单元特性的定义 有限元模型中除了表现出一定的外部形状（网格）外，还应该具备计算所 需要的内部数据，包括物理特性、材料特性等。这些数据定义的正确与否，将 直接影响计算结果的正确程度。 Pipe 16 单元： a. 较粗翅脉 外径：0.130mm；壁厚：0.025mm. b. 较细翅脉 外径：0.055mm；壁厚：0.015mm. Shell 43 单元： 厚度设为 0.004mm. 蜻蜓翅翼是一种超级的天然复合材料，它的材料特性，尤其是它的强度之 图 2-8 单元 Pipe16 Fig. 2-8 Pipe16 Element 图 2-9 单元 Shell 43 Fig. 2-9 Shell 43 Element
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 高和重量之轻是很少见的。但目前来讲，与蜻蜓翅翼相似的材料并不多，所以 在未找到非常理想的材料之前，翅翼的外形和翅脉的布局仍是关注的重点。因 此，在材料属性的设定中，仿生翼翅脉和薄膜统一设为各向同性的、线性的、 不随温度变化的材料，在这里给出了三个指数B:弹性模量E,泊松比PXY, 密度DENS。 2.1.4有限元网格划分 由于翅翼的薄膜采用薄壳单元，所以网格形状可分为三角形和四边形，不 过三角形相对于四边形网格的计算精度较低，故翅翼薄膜部分采用四边形划分 网格。划分方式上，鉴于仿生翼的翅脉结构布局比较复杂，且分布不规则，为 提高运算效率，采用自由划分方式。 另外，由于所建仿生模型的整体几何尺寸较小，再加上特殊的网络式结构 存在很多细小的环节，那么为了提高计算结果的精度，在约束单元尺寸时，将 尽量把网格划分的细些。具体设定为：Pipe单元较粗及较细部分尺寸统一设为 0.125mm;薄壳单元亦设为0.125mm。这样划分网格后便得到了前、后翅仿生 翅翼的有限元模型，分别如图2-10和图2-11所示。 图2-10仿蜻蜓前翅的有限元模型 Fig.2-10 The finite element model for biomimetic forewing of dragonfly -12-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 高和重量之轻是很少见的。但目前来讲，与蜻蜓翅翼相似的材料并不多，所以 在未找到非常理想的材料之前，翅翼的外形和翅脉的布局仍是关注的重点。因 此，在材料属性的设定中，仿生翼翅脉和薄膜统一设为各向同性的、线性的、 不随温度变化的材料，在这里给出了三个指数[39]：弹性模量 E，泊松比 PRXY， 密度 DENS。 2.1.4 有限元网格划分 由于翅翼的薄膜采用薄壳单元，所以网格形状可分为三角形和四边形，不 过三角形相对于四边形网格的计算精度较低，故翅翼薄膜部分采用四边形划分 网格。划分方式上，鉴于仿生翼的翅脉结构布局比较复杂，且分布不规则，为 提高运算效率，采用自由划分方式。 另外，由于所建仿生模型的整体几何尺寸较小，再加上特殊的网络式结构 存在很多细小的环节，那么为了提高计算结果的精度，在约束单元尺寸时，将 尽量把网格划分的细些。具体设定为：Pipe 单元较粗及较细部分尺寸统一设为 0.125mm；薄壳单元亦设为 0.125mm。这样划分网格后便得到了前、后翅仿生 翅翼的有限元模型，分别如图 2-10 和图 2-11 所示。 图 2-10 仿蜻蜓前翅的有限元模型 Fig. 2-10 The finite element model for biomimetic forewing of dragonfly
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2-11仿蜻蜓后翅的有限元模型 Fig.2-11 The finite element model for biomimetic hindwing of dragonfly 以上两图所示的仿蜻蜓翅翼有限元模型中，前翅共计节点37213个，单元 45751个；后翅共计节点54120个，单元65629个。 2.2本章小结 本章通过对真实蜻蜓翅翼结构及其翅脉布局的分析，并结合相关文献中的 几何测量参数，建立了蜻蜓前、后翅仿生翼的有限元模型，从而为后面章节的 静动态以及流体动力学分析等工作打下了基础。 -13-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 图 2-11 仿蜻蜓后翅的有限元模型 Fig. 2-11 The finite element model for biomimetic hindwing of dragonfly 以上两图所示的仿蜻蜓翅翼有限元模型中，前翅共计节点 37213 个，单元 45751 个；后翅共计节点 54120 个，单元 65629 个。 2.2 本章小结 本章通过对真实蜻蜓翅翼结构及其翅脉布局的分析，并结合相关文献中的 几何测量参数，建立了蜻蜓前、后翅仿生翼的有限元模型，从而为后面章节的 静动态以及流体动力学分析等工作打下了基础