仿生拍翼飞行的翼(翅)问题研究

摘要

昆虫高效的飞行能力一直是生物学家与仿生工程专家关注的焦点。正确认识昆虫飞行的高升力机理是发展仿生扑翼微型飞行器的基础，具有重要的理论与实践意义。已有的研究多建立在刚性翅模型基础上，而事实上翅柔性对昆虫飞行性能的影响不可忽略。因此，本文结合211工程振兴行动计划资助项目（3008002102），从柔性翅角度对仿生拍翼飞行的翼（翅）问题进行深入研究。
　　 本文按照“定性分析-理论建模-仿真计算-实验验证”的思路展开。
　　 从定性角度探讨昆虫飞行力的柔性翅机理。结合典型昆虫翅的结构属性与力学属性，分析翅的拍动方式及其协调柔性形变的成因。在昆虫拍翅运动学基础上，从柔性翅角度重新认识典型的飞行高升力机理，并用叠加原理将昆虫前飞机制解释为推进和滑翔。以上理论分析目的在于从仿生学角度指导设计仿昆扑翼飞行器，并为后续针对仿昆拍翼飞行翼（翅）问题的理论建模、数值计算与试验验证奠定基础。
　　 通过理论模化途径研究昆翅在飞行中的动态形变机制。设计静态翅形变风洞实验，验证“柔性楔形效应”指出的翅准静态形变对气动力的影响。探讨昆翅的变刚度特性，表明弦向刚度分布规律符合二项式函数时具有现实性和优越性，进而指出昆翅结构的变刚度特性是产生高升力的基本条件。建立柔性翅的简化振动力学模型，指出在气动力和惯性力共同作用下翅的形变模态。以雄蜂飞行为例，示出动态翅形变若干关键时刻的二维曲线，揭示昆翅非定常形变凸向或凹向来流的实质。明确昆翅拍动中形成展向扭转形变的主动与被动控制因素，对拍动中昆翅的展向扭转给出形象化解释，强调翅根扭转刚度对控制飞行力的决定性作用。以上研究所建立的翅拍动力学模型，与实际昆虫飞行参数相符，有助于认清其动态形变机制，并进而揭示昆翅柔性对飞行力的贡献。
　　 为研究昆虫飞行力的柔性翅机理，采用计算流体力学方法与动态网格生成技术数值求解N-S方程，集中探讨昆虫飞行的气动力与能耗问题。设计柔性扑翼模型及其运动参数，并在Fluent下编写扑翼运动控制与气动参数获取的用户自定义函数。经过验证，算法能够正确获取拍翅气动力并记录流场结构，采用合适的边界尺寸、网格密度与时间步长，能够使计算准确高效。
　　 参照雄蜂拍翅运动参数，前进比选择为0至0.54的若干离散值，以覆盖从悬停到高速匀速前飞一系列飞行工况。设定平衡判定精度为雄蜂重量的2％，通过调整拍动模式、拍动平面倾角、翅根被动扭转角以及翅根初始扭转角等参数，达到飞行中的受力平衡状态，即竖直方向力平衡体重，水平方向力克服前飞流体阻尼力。仿真结果印证：（1）拍动中昆翅在气动力和惯性力作用下产生的自适应协调形变能够即时调整翅面迎角，充分利用流体动力头获得高升力；（2）昆虫前飞采用摆动式推进器机制，滑翔性升力对昆虫飞行力的提升作用重大；（3）昆虫从低速到高速飞行过程中，平均气动功率消耗按照倒U型曲线变化，表明存在相对低功耗区间，因此通过设计合适的翅运动参数，翅变刚度分布及翅根部扭转刚度规律，并选择一定的飞行速度，有助于仿昆扑翼飞行器在飞行确定距离时耗能最省，效率最高。
　　 针对昆虫普通悬停飞行工况，进行仿昆柔性扑翼飞行器拍翅机构初步设计实践，包括设计精密驱动系统使机构重量尽可能降低，设计变刚度柔性翅使其具有协调柔性，设计弹簧储能系统减小电机端最大功率输出与力矩波动等。进一步实验的理想目标是：在翅前缘施加简单的节律运动，通过柔性翅在拍动中产生的协调形变以及翅根部的被动扭转，产生足够的升力维持机构重量。该设计实践是对后续仿昆扑翼微型飞行器系统集成的有益探索。
　　 全文围绕昆虫柔性翅飞行力的研究，能够补充现有对昆虫飞行高升力机理的认识，并为仿生拍翼飞行的翼（翅）优化设计提供详细指导。

目录

文摘

英文文摘

物理量名称及符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题意义

1.2 昆虫飞行力原理研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 仿昆扑翼飞行器研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文研究内容

1.5 课题重点与难点

1.5.1 课题重点

1.5.2 课题难点

1.6 本文组织安排

第二章 昆虫飞行力的柔性翅机理探讨

2.1 有关昆虫飞行的力学理论基础

2.1.1 基本术语

2.1.2 力学理论基础

2.2 昆虫翅的结构与力学属性

2.3 昆虫拍翅运动学

2.4 昆虫飞行力的柔性翅机理

2.4.1 从柔性翅角度重新认识典型高升力机理

2.4.2 昆虫柔性翅在悬停与前飞时的气动力

2.4.3 从柔性翅角度揭示昆虫飞行力机理的仿生学意义

2.5 本章小结

第三章 昆翅在飞行中的动态形变

3.1“柔性楔形效应”实验验证

3.2 昆翅的变刚度特性

3.3 昆翅拍动的简化力学模型

3.3.1 昆翅简化力学模型建立

3.3.2 昆翅简化力学模型参数确定

3.3.3 昆翅简化力学模型振动方程

3.4 昆翅的二维形变

3.4.1 复指数法求解二维翅形变

3.4.2 坐标变换法求解二维翅形变

3.4.3 二维翅形变与文献结果的比照

3.5 昆翅的扭转形变

3.6 本章小结

第四章 昆虫飞行计算模型建立与程序验证

4.1 计算方法概述

4.1.1 Gambit前处理

4.1.2 Fluent数值计算

4.1.3 计算模拟关键技术

4.2 计算模型建立

4.2.1 扑翼模型及其运动参数设计

4.2.2 扑翼运动控制与气动参数获取

4.3 计算程序验证

4.3.1 算例验证

4.3.2 边界尺寸验证

4.3.3 网格密度验证

4.3.4 时间步长验证

4.4 本章小结

第五章 昆虫柔性翅飞行的气动力与能耗

5.1 雄蜂悬停飞行工况(前进比J=0)

5.2 雄蜂低速前飞工况(前进比J=0.12)

5.3 雄蜂中速前飞工况(前进比J=0.30)

5.4 雄蜂高速前飞工况(前进比J=0.54)

5.5 雄蜂柔性翅飞行的气动力与能耗规律

5.6 本章小结

第六章 仿昆扑翼飞行器拍翼机构设计实践

6.1 仿昆扑翼飞行器拍翼机构设计

6.1.1 驱动系统设计

6.1.2 柔性翅设计

6.1.3 储能弹簧设计

6.1.4 实验装置总体介绍

6.2 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

附录C

作者简介

攻读硕士期间发表的论文

参与的科研项目