仿生扑翼飞行器的设计及气动力分析

摘要

扑翼飞行器是一种通过翅翼的拍打运动产生升力和推力的新型飞行器。它具有机动性灵活、飞行效率高、隐蔽性好等优点，在许多领域有广阔的应用前景，被认为是最有发展空间的微型飞行器。本文基于仿生学原理，对自然界飞行生物的飞行机理、扑翼飞行机构和扑翼气动力特性进行了研究，在此基础上设计研制了扑翼飞行器样机和混合驱动样机，并完成了样机的飞行测试实验。具体研究工作如下:
　　首先，对自然界飞行生物的飞行机理进行了分析研究。从仿生学的角度，分别对昆虫、鸟类和蝙蝠的翅膀构造和扑翼运动规律进行了分析研究，进而分析了自然界飞行生物实现飞行的高升力机制。
　　其次，对扑翼飞行器样机的扑翼驱动方案进行设计。分析现有驱动方式的优缺点，在微电机驱动方式的基础上，设计扑翼飞行器样机的扑动机构。对扑动机构进行数学建模和运动学分析，设计扑翼机构的尺寸参数，并利用MATLAB和ADAMS软件对扑动机构进行运动学仿真。结果表明，所设计的扑翼机构符合扑翼运动规律，具有良好的运动特征。
　　再次，对扑翼运动中翅翼的气动特性进行数值模拟研究。基于流体力学和计算流体力学的理论，根据扑翼运动的特点，建立了翅翼运动的二维几何模型和网格模型。采用压力速度耦合算法建立湍流黏性模型，运用动网格方法对扑翼运动中翅翼周围的压力场和速度场进行数值模拟，得到扑翼运动过程翅翼周围空气的压力分布和速度分布以及翅翼的升阻力特性。结果表明，翅翼的扭转变形有利于升力和推力的产生，这对翅翼的设计有一定指导意义。
　　最后，对扑翼飞行器样机和混合驱动样机进行研制和实验。基于上述的理论研究和机构设计，具体设计扑翼样机和混合驱动样机的机身结构和建立三维模型，对各部件进行材料选型和加工工艺的设计，完成扑翼样机和混合驱动样机的组装。采用无线遥控方案，完成电子器件选型，搭建飞行器的控制系统。搭建测试平台，对扑翼飞行样机和混合驱动样机进行测试实验。实验结果表明，扑翼飞行器样机能够产生足够的升力和推力实现飞行，混合驱动样机的机翼在两种飞行方式下，能够产生一定的升力。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 国内外在该方向的研究现状及分析

1．2．1 仿昆虫微型扑翼飞行器

1．2．2 仿鸟类微型扑翼飞行器

1．2．3 仿蝙蝠微型扑翼飞行器

1．2．4 国内研究现状

1．3 论文的主要研究内容

2 扑翼飞行机理分析

2．1 昆虫飞行机理的分析

2．1．1 昆虫的翅翼结构和飞行规律

2．1．2 昆虫的高升力机制

2．2 鸟类飞行机理的分析

2．2．1 鸟类的翅膀结构和飞行规律

2．2．2 鸟类的高升力机制

2．3 蝙蝠飞行机理的分析

2．4 飞行器各部分对飞行的影响

2．5 本章小结

3 扑翼飞行器驱动方案的分析与设计

3．1 扑翼驱动方案的分析

3．1．1 扑翼驱动方式的分析

3．1．2 典型扑翼机构的分析

3．2 扑翼驱动机构的设计

3．2．1 空间RSSR机构的运动学分析

3．2．2 扑翼驱动机构的参数设计

3．2．3 基于MATLAB的运动学仿真

3．3 扑翼机构的ADAMS运动仿真

3．4 本章小结

4 仿生扑翼飞行器气动性能研究

4．1 气动分析理论依据

4．1．1 流体力学理论

4．1．2 计算流体力学

4．1．3 FLUENT的数值模拟流程

4．2 基于FLUENT的扑翼数值模拟研究

4．2．1 柔性翅翼模型的建立

4．2．2 扑翼运动模型的建立

4．2．3 性能参数的描述

4．2．4 计算区域的设定与网格划分

4．3 数值模拟结果分析

4．4 本章总结

5 仿生飞行器样机研制与实验研究

5．1．1 样机结构参数设计与器件选型

5．1．2 样机传动系统的设计

5．1．3 样机的建模、加工和装配

5．1．4 控制系统的设计

5．1．5 样机的飞行实验

5．2 混合驱动样机的设计与实验测试

5．2．1 样机结构设计与器件选型

5．2．2 样机的组装与实验测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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