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扑翼飞行机理和仿生扑翼机构的研究

作　者: 朱宝
导　师: 王姝歆
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械工程
关键词: 扑翼飞行器扑翼机理运动仿真扑翼装置模态分析
分类号: V276
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

微型扑翼飞行机器人,又称微型扑翼飞行器,通过模仿自然界飞行鸟类和昆虫运动机理而实现扑翼飞行,是目前研究的热点。仿生学和空气动力学研究均表明,对于鸟类和昆虫级别的飞行器,扑翼飞行要优于传统的固定翼和旋翼飞行,因此在民用和军用领域有着广阔的应用前景。首先简要介绍了微型扑翼飞行的研究背景,包括微型飞行器的概念、技术标准以及其可观的应用前景;阐述了微型扑翼飞行器的国内外研究现状,对目前和将来研究中需要解决的一些关键技术问题进行了探讨。接着,对昆虫翅膀的几何结构特性、运动机理和空气动力学特性进行了分析,重点探讨了昆虫飞行过程中的几何和运动学参数以及扑翼飞行的一些非定常空气动力学机制,为扑翼机构设计和翼的研究打下基础。在以上研究的基础上,通过对两个自由度扑翼运动的方案分析,确定采用曲柄摇杆机构和凸轮机构分别实现扑翼运动中的拍动和转动,由此设计出一种新型的两自由度扑翼机构。通过扑翼机构的运动学和尺度律分析,确定了机构的基本参数,并用UG绘制了三维模型。运动仿真结果表明,扑翼机构能很好地实现所需运动。采用有限元方法,分别对飞蛾、蝉、蜜蜂三种昆虫翅膀进行了建模和模态分析。有限元计算结果表明,外形与翅脉布局设计合适的仿生翼可以满足采用共振激励的扑翼机构对翅翼振型的要求,同时仿生翼最大弦长的位置对一二阶模态频率差有较大影响。最后研制了包括电机、减速机构、扑翼机构和翼在内的扑翼装置,并进行了实验研究。运动实验结果表明,设计的扑翼机构能够实现所需的两个自由度运动,与仿真结果一致。机械效率和颤振性实验研究结果表明,整个扑翼装置的机械效率高,颤振很小,有利于扑翼飞行。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-22
  1.1 引言  13
  1.2 微型飞行器概述  13-15
    1.2.1 微型飞行器的定义及分类  13-14
    1.2.2 微型飞行器的技术标准  14
    1.2.3 微型飞行器的应用前景  14-15
  1.3 微型扑翼飞行器研究现状  15-21
    1.3.1 国外微型扑翼飞行器研究现状  15-19
    1.3.2 国内微型扑翼飞行器研究现状  19-20
    1.3.3 微扑翼飞行器所面临的关键技术问题  20-21
  1.4 论文主要研究内容及组织结构  21-22
第二章昆虫扑翼运动研究  22-34
  2.1 昆虫翅翼的结构与飞行方式  22-25
  2.2 昆虫翼的几何和运动参数  25-26
  2.3 定常空气动力学  26-28
  2.4 非定常空气动力学  28-33
    2.4.1 前缘涡/延时失速  28-29
    2.4.2 旋转力/Kramer 效应  29-30
    2.4.3 虚质量效应/附加质量效应  30-31
    2.4.4 尾流捕捉/翅膀尾流交互作用  31-32
    2.4.5 Weis-Fogh 机制  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章两自由度扑翼机构的设计  34-48
  3.1 引言  34
  3.2 昆虫扑翼机构的工作原理  34-35
  3.3 扑翼飞行对扑翼机构的要求  35-36
  3.4 两自由度扑翼机构中扑动机构的方案分析  36-39
  3.5 两自由度扑翼机构中转动机构的方案分析  39-42
    3.5.1 凸轮机构  40
    3.5.2 棘轮机构  40-41
    3.5.3 槽轮机构  41-42
  3.6 扑动机构和转动机构组合的扑翼机构设计  42-47
    3.6.1 基于曲柄连杆机构的拍动机构设计  42-45
    3.6.2 基于凸轮机构的转动机构设计  45-47
  3.7 本章小结  47-48
第四章仿生翅翼的有限元分析  48-57
  4.1 引言  48
  4.2 扑翼运动对翅翼的要求  48-49
  4.3 几种仿生翅翼的有限元模态分析与比较  49-54
    4.3.1 有限元模型的建立  49-50
    4.3.2 仿蛾翼的模态分析  50-51
    4.3.3 仿蝉翼的模态分析  51-52
    4.3.4 仿蜂翼的模态分析  52-53
    4.3.5 仿真结果的分析  53-54
  4.4 仿真结果的补充研究  54-56
  4.5 小结  56-57
第五章扑翼装置的研制与实验研究  57-72
  5.1 扑翼装置的研制  57-61
    5.1.1 总体设计  57-58
    5.1.2 驱动器的选择  58-60
    5.1.3 传动机构的设计  60
    5.1.4 扑翼四杆机构的尺寸  60-61
    5.1.5 扑翼机构和翅膀设计  61
  5.2 扑翼机构运动仿真  61-68
    5.2.1 UG 机构运动仿真的设计过程  62
    5.2.2 扑翼机构运动模型的建立  62-67
    5.2.3 仿真结果  67-68
  5.3 扑翼装置的研制和实验研究  68-70
    5.3.1 实验结果与仿真结果的比较  69
    5.3.2 机构的传动效率  69-70
    5.3.3 机构运动过程中颤振性验证  70
  5.4 本章小结  70-72
第六章总结和展望  72-74
  6.1 总结  72
  6.2 将来的工作  72-74
参考文献  74-79
致谢  79-80
在学期间的研究成果及发表的学术论文  80

扑翼飞行机理和仿生扑翼机构的研究

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