仿生拍翼飛行的翼(翅)問題研究.pdf

1、昆蟲高效的飛行能力一直是生物學家與仿生工程專家關注的焦點。正確認識昆蟲飛行的高升力機理是發(fā)展仿生撲翼微型飛行器的基礎，具有重要的理論與實踐意義。已有的研究多建立在剛性翅模型基礎上，而事實上翅柔性對昆蟲飛行性能的影響不可忽略。因此，本文結合211工程振興行動計劃資助項目（3008002102），從柔性翅角度對仿生拍翼飛行的翼（翅）問題進行深入研究。
　　 本文按照“定性分析-理論建模-仿真計算-實驗驗證”的思路展開。
　　

2、 從定性角度探討昆蟲飛行力的柔性翅機理。結合典型昆蟲翅的結構屬性與力學屬性，分析翅的拍動方式及其協(xié)調柔性形變的成因。在昆蟲拍翅運動學基礎上，從柔性翅角度重新認識典型的飛行高升力機理，并用疊加原理將昆蟲前飛機制解釋為推進和滑翔。以上理論分析目的在于從仿生學角度指導設計仿昆撲翼飛行器，并為后續(xù)針對仿昆拍翼飛行翼（翅）問題的理論建模、數(shù)值計算與試驗驗證奠定基礎。
　　 通過理論模化途徑研究昆翅在飛行中的動態(tài)形變機制。設計靜態(tài)翅形變風洞

3、實驗，驗證“柔性楔形效應”指出的翅準靜態(tài)形變對氣動力的影響。探討昆翅的變剛度特性，表明弦向剛度分布規(guī)律符合二項式函數(shù)時具有現(xiàn)實性和優(yōu)越性，進而指出昆翅結構的變剛度特性是產生高升力的基本條件。建立柔性翅的簡化振動力學模型，指出在氣動力和慣性力共同作用下翅的形變模態(tài)。以雄蜂飛行為例，示出動態(tài)翅形變若干關鍵時刻的二維曲線，揭示昆翅非定常形變凸向或凹向來流的實質。明確昆翅拍動中形成展向扭轉形變的主動與被動控制因素，對拍動中昆翅的展向扭轉給出形象

4、化解釋，強調翅根扭轉剛度對控制飛行力的決定性作用。以上研究所建立的翅拍動力學模型，與實際昆蟲飛行參數(shù)相符，有助于認清其動態(tài)形變機制，并進而揭示昆翅柔性對飛行力的貢獻。
　　 為研究昆蟲飛行力的柔性翅機理，采用計算流體力學方法與動態(tài)網格生成技術數(shù)值求解N-S方程，集中探討昆蟲飛行的氣動力與能耗問題。設計柔性撲翼模型及其運動參數(shù)，并在Fluent下編寫撲翼運動控制與氣動參數(shù)獲取的用戶自定義函數(shù)。經過驗證，算法能夠正確獲取拍翅氣動力并

5、記錄流場結構，采用合適的邊界尺寸、網格密度與時間步長，能夠使計算準確高效。
　　 參照雄蜂拍翅運動參數(shù)，前進比選擇為0至0.54的若干離散值，以覆蓋從懸停到高速勻速前飛一系列飛行工況。設定平衡判定精度為雄蜂重量的2％，通過調整拍動模式、拍動平面傾角、翅根被動扭轉角以及翅根初始扭轉角等參數(shù)，達到飛行中的受力平衡狀態(tài)，即豎直方向力平衡體重，水平方向力克服前飛流體阻尼力。仿真結果印證：（1）拍動中昆翅在氣動力和慣性力作用下產生的自適應

6、協(xié)調形變能夠即時調整翅面迎角，充分利用流體動力頭獲得高升力；（2）昆蟲前飛采用擺動式推進器機制，滑翔性升力對昆蟲飛行力的提升作用重大；（3）昆蟲從低速到高速飛行過程中，平均氣動功率消耗按照倒U型曲線變化，表明存在相對低功耗區(qū)間，因此通過設計合適的翅運動參數(shù)，翅變剛度分布及翅根部扭轉剛度規(guī)律，并選擇一定的飛行速度，有助于仿昆撲翼飛行器在飛行確定距離時耗能最省，效率最高。
　　 針對昆蟲普通懸停飛行工況，進行仿昆柔性撲翼飛行器拍翅機

7、構初步設計實踐，包括設計精密驅動系統(tǒng)使機構重量盡可能降低，設計變剛度柔性翅使其具有協(xié)調柔性，設計彈簧儲能系統(tǒng)減小電機端最大功率輸出與力矩波動等。進一步實驗的理想目標是：在翅前緣施加簡單的節(jié)律運動，通過柔性翅在拍動中產生的協(xié)調形變以及翅根部的被動扭轉，產生足夠的升力維持機構重量。該設計實踐是對后續(xù)仿昆撲翼微型飛行器系統(tǒng)集成的有益探索。
　　 全文圍繞昆蟲柔性翅飛行力的研究，能夠補充現(xiàn)有對昆蟲飛行高升力機理的認識，并為仿生拍翼飛行的