昆虫翅膀柔性变形对飞行影响的初探

摘要

微型扑翼飞行器轻便灵活，可有效用于搜救、监控、情报收集和战场通讯，各国在该领域的研究异常活跃，竞争激烈。目前研究成果绝大多数研究假设昆虫翅膀是没有变形的，对昆虫翅膀柔性变形作用研究不足。 本文借助仿生学手段，利用计算流体力学方法，求解Navier-Stokes方程，对昆虫翅膀柔性变形对飞行的影响进行研究。 本文主要研究内容如下： 1、根据实测的资料，建立蜻蜒模型，并设定运动方式，计算扑翼气动力，研究蜻蜓单侧翼之间的相互干扰；通过改变前翼的变形幅度к<,F>和后翼的变形幅度к<,H>，研究了翅膀变形对飞行的影响。 2、大黄蜂扑翼运动的一些运动参数是难于确定的，且对扑翼气动力影响较大。为了深入研究大黄蜂扑翼气动机理、抗干扰飞行机理和控制机理，就必须确定其扑翼运动参数。改变大黄蜂的扑翼运动参数，通过计算流体力学的方法计算不同扑翼运动参数下的扑翼气动力，根据大黄蜂悬停飞行的平衡条件，选取所需的扑翼气动力，对应的运动方式可认为真实的扑翼运动方式。 3、计算发现一定柔性下的昆虫翅膀扑动得到了较大的升阻比。昆虫能够在天空中自由自在的飞行，而其无时无刻不受到来自外界的干扰，有时候干扰还很强烈。昆虫能够在强干扰下稳定飞行，一定有其抗干扰的机制。通过比较柔性翼和刚性翼对稳定性的影响发现，柔性翼对速度的静稳定性更好；刚性翼含有振幅随时间成指数形式增加的不稳定震荡模态，是动不稳定的因素，而柔性翼所有的模态都是随时间成衰减趋势的，因此是动稳定的。

目录

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第一章绪论

1.1微型扑翼式飞行器

1.2昆虫扑翼飞行机理的研究

1.2.1昆虫翅膀的构造特点

1.2.2昆虫扑翼飞行的基本原理

1.3扑翼飞行高升力机理

1.3.1Weis-Fogh机制

1.3.2延迟失速

1.3.3尾迹捕获机制和快速旋转机制

1.3.4快速加速机制

1.4扑翼飞行抗干扰稳定性机理

1.5扑翼飞行时的节能机制

1.6目前研究的不足之处和本文研究内容

第二章流场的控制方程与数值分析方法

2.1控制方程

2.1.1质量方程

2.1.2动量方程

2.1.3能量方程

2.2边界条件

2.3湍流理论及湍流模型

2.4网格生成

2.5有限体积法

2.6 SIMPLEC算法

2.7动网格技术

2.8本章小结

第三章蜻蜒翅膀的柔性变形

3.1蜻蜓扑翼运动模型

3.2蜻蜓的扑翼气动力和气动功率

3.2.1蜻蜓前后翼的相互影响

3.2.2蜻蜓翅膀变形的影响

3.3本章小结

第四章大黄蜂扑翼运动的研究

4.1定点转动

4.2大黄蜂悬停飞行扑翼运动方式

4.3大黄蜂悬停飞行运动参数的确定

4.4三维模型验证

4.5本章小结

第五章大黄蜂翅膀柔性变形对飞行的影响

5.1柔性变形模式

5.2计算模型

5.3柔性变形对气动力和气动功率的影响

5.3.1同步弦向扭转变形模式

5.3.2延迟弦向扭转变形模式

5.3.3柔性楔形效应

5.4柔性变形对稳定性的影响

5.4.1柔性翼对速度静稳定的影响

5.4.2对动稳定的影响

5.5本章小结

第六章总结和展望

6.1全文工作总结

6.2今后工作展望

致谢

参考文献