扑翼飞行的高升力机理分析

本文对昆虫和鸟类的扑翼飞行机理进行研究和分析。扑翼飞行的高升力机制为拍动初期翅膀的快速加速运动、拍动中期翅膀的前缘涡不脱落运动和拍动后期翅膀的快速上仰转动。这些非定常高升力机制在悬停、前飞和倒飞等飞行状态中都适用。扑翼飞行机理对生物学、仿生工程设计和微型飞行器的研究有着重要意义。     

扑翼式微型飞行器的升力测量与分析

昆虫通过高频扇翅可以产生很大的升力,相关的非定常空气动力学机理及理论逐渐被人们所认识。基于昆虫的仿生学设计了单个翅膀的扑翼机构,并利用自行设计的测力平台实现了对升力的测量。通过分析测力系统的动态特性及受激励后的响应,得到扑翼产生的周期升力。通过将试验数据与经验公式计算的结果进行比较,得到了升力与扑翼参数的关系,为进一步设计扑翼式微型飞行器提供了依据。     

半转翼悬停和前进飞行升力估算方法

在分析半转翼运动模型和翼面气流特点的基础上,建立了悬停和前进两种飞行状态下的半转翼升力计算模型。根据半转翼的运动特性,推导出适合半转翼运动的升力计算解析表达式。结合半转翼样机参数,应用导出的理论公式和基于CFD软件的数值仿真模型,分别计算不同飞行条件下半转翼的升力,获得半转翼悬停和前进两种飞行状态下升力变化规律。理论计算与数值仿真所得升力曲线的对比验证了升力估算解析法的有效性和可行性。研究结果可为半转翼飞行器的参数设计与升力预估提供理论指导。     

仿生扑翼飞行机器人柔性翅试验研究及其理论解释

以柔性翅为研究对象，在自行研制的气动力测量试验平台上进行升力试验研究，旨在为柔性翅的理论研究提供依据。试验结果表明，柔性翅能产生较之刚性翅更大的升力，说明柔性翅将更适合仿生飞行。针对翅变形对昆虫飞行高升力有贡献的试验结果，给出了一种基于柔性楔形效应的升力机制的理论解释。     

两自由度仿生扑翼飞行机器人设计与运动分析

根据鸟类的飞行特性,设计了一种两自由度仿生扑翼飞行机器人。扑翼飞行机器人采用单电机驱动,能够实现扑动、扭转两自由度耦合运动,结构紧凑、运动高效,且机翼的运动形式接近鸟类。首先根据总体设计目标提出扑动-扭转耦合机构的运动特性要求,基于Adams建立了扑动-扭转耦合扑翼机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑动和扭转运动的变化规律,并得到了翼尖轨迹曲线。扑动-扭转耦合机构的参数与设计结果达到了扑翼机构的运动要求,为仿生扑翼飞行机器人的设计和研究奠定了基础。     

仿生扑翼飞行简化力学模型及其实验研究

在研究鸟飞行机制的基础上，通过对扑翼飞行翅的简化和分析，建立了仿生扑翼飞行的简化力学模型，结合翼形导出了在一个扑动周期中翅上所产生的平均前进力和升力公式。实验证明了该简化力学模型及相应力学分析的可靠性和正确性。研究成果为进一步研制仿生扑翼飞行器提供了理论依据。     

仿鸟羽毛扑翼气动性能分析

针对仿鸟扑翼羽毛构型设计的问题,建立单个羽毛CFD模型及扑翼仿鸟羽毛型飞行器模型,研究羽毛构型与所能提供升力规律。首先基于羽毛形状建立羽毛简化模型,然后利用Fluent软件分析单根羽毛扑动过程中的气动规律及羽毛升阻力系数随羽毛弯角的变化。机翼上下扑动时,同时参与俯仰运动,内翼与外翼间也存在弯曲运动,机翼也会带动各部位羽毛参与相对应运动。仿真结果表明羽毛随机翼运动时,在一定流速下,升力及阻力分别随羽毛弯角变化。     

仿蜂鸟微飞行器扑翼机构运动学、升力及Clap-fling机制研究

设计了一种手掌尺度的微型扑翼飞行器机构,模拟自然界中的蜂鸟。通过曲柄摇杆机构,将主电机齿轮的旋转运动转变成遥杆的往复运动,并利用线传动放大拍打角,最终转化成翅膀的拍打运动。扑翼机构总重约9g,翅膀拍打角幅值为180°,扑翼频率15 Hz,翼展200 mm。扑翼机构机身由3D打印制作,翅膀由聚合物薄膜和碳纤维采用多层叠合工艺制作而成。通过高速相机以1 000 fps拍摄,检验翅膀的运动学,观察到clap-fling机制。利用多轴力/力矩传感器进行力测试,得到不同扑翼频率下的升力值,发现clap-fling机制对于升力提升有显著作用。通过研究翅膀尾缘长度对升力的影响,获得最佳的尾缘长度。     

仿生扑翼飞行微机器人研究现状与关键技术

扑翼飞行微机器人(Flapping-wing Flying Microrobot)是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概念飞行器.文中简要介绍了扑翼飞行微机器人的概念、特点与用途,从测试与试验、建模与分析、设计与制作、控制与传感四个方面概括了扑翼飞行微机器人的国内外研究现状,最后讨论了后续研究中需要突破的关键技术.     

仿鹰扑翼飞行器设计及多飞行模式的实现

现有仿生扑翼飞行器大多针对单一飞行模式进行设计与研究,无法实现复杂多变的飞行姿态。文中根据鹰的飞行特性,以空间RSSR机构和多连杆机构为出发点,设计了一种扑动-折叠-扭转的仿鹰扑翼机构,以实现多飞行模式。首先,通过鹰的仿生学研究,根据总体设计目标提出多飞行模式扑翼飞行器功能设计要求;其次,基于XFLR5建立了多飞行模式扑翼的气动力模型,分析了起飞、巡航、降落3种典型飞行模式下的翅翼气动力的变化规律;最后,根据飞行参数建立了机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑翼在不同飞行模式下的运动变化规律及翼尖轨迹曲线。证明该扑翼机构具有良好的仿生运动特性和气动特性,为多飞行模式微型扑翼飞行器提供了设计参考。     

可变幅扑翼飞行器设计及多飞行模式实现

针对目前扑翼飞行器飞行模式单一,无法灵活调整飞行姿态的问题,设计了一款可变幅扑翼飞行器,通过调节翅翼扑动幅值,实现扑翼运动姿态和飞行模式切换.建立可变幅扑翼飞行器机构运动学模型,基于Adams和Matlab进行联合仿真,对扑翼飞行器进行运动特性分析.建立多飞行模式下的气动模型,通过XFLR5软件分析可变幅扑翼飞行器的气动特性,通过设定相关参数,实现了起飞、快速飞行、慢速巡航等多种飞行模式,提高了扑翼飞行器的灵活性,为未来扑翼飞行器的进一步发展提供了研究基础.     

两自由度微扑翼飞行器升阻力系数分析

在微型扑翼飞行器的分析和结构设计中,翅翼运动所产生的升阻力系数具有重要的研究意义。运用CFD分析软件Fluent以及三维建模软件对所设计的两自由度扑翼飞行器结构进行了仿真研究,研究结果显示升阻力系数在不同的运动模式下是有明显差异的,对比翅翼单一沉浮运动时的升阻力系数和基于凸轮机构沉浮加俯仰运动时的升阻力系数,结果表明后者可获得更大的升力系数和更小的阻力系数,更加有利于飞行,为实物的研制提供了依据。     

仿鸟扑翼的功率消耗研究

为了提高仿鸟扑翼飞机的能量利用率,找到其最佳能量消耗参数,在风洞中对不同来流速度下模型的扭矩与功率消耗两个重要物理量进行了测量,找出功率消耗随风速的变化关系。实验使用了一个曲柄连杆扑翼模型。模型的扑翼采用平面结构布局,并且具有一定柔性。实验分别测试模型在不同风速下扑翼扑动的需用扭矩和功率,结果显示在风速2~16 m/s之间,模型的扑动扭矩和功率随风速的增加都逐渐减小,其中需用扭矩最大减小量约为30%。这一发现可以降低扑翼机对发动机推重比的要求,也可以降低对扑翼材料的力学要求。这在一定程度上解释了鸟类迁徙节能的原因,也对扑翼飞机的发展具有一定促进作用。     

起落架落震试验中的仿升动力模拟

结合某型号飞机试验任务 ,阐述有关空气作动筒仿升的起落架落震试验方法。由于仿升设备原因 ,实际施加的仿升力是在一个常数升力上迭加一振荡升力。文中基于能量等效原则 ,提出了一种“仿升力均值”概念 ,并采用了仿升力提前作用和增加投放高度的试验方法。其目的是为了有效控制振荡仿升力的精度 ,并在落体着陆下沉过程中避开仿升筒活塞杆撞击瞬间产生的过大尖峰载荷     

基于TRIZ理论的微扑翼飞行器翅翼运动的规划

为了产生使微扑翼飞行器上升的升力,翅翼在下拍时的面积要尽可能大,而上拍时要尽可能小。针对这种物理矛盾,应用TRIZ理论的动态法,提出了近30种翅翼运动规划方案,其中许多是不曾采用过的。为新的翅翼驱动机构的设计提供了一定的基础。     

扑翼式风力发电机机构设计与分析

与传统风力发电机相比而言,仿生扑翼风力发电机具备噪音低,启动风速低,环境影响小和风能捕捉效率高等长处。基于仿生学原理,设计了一款往复振荡式扑翼风力发电机样机,并采用理论分析和数值计算相结合的方法,分析了该样机所产生的升力,阻力和输出力矩之间的关系。结果表明:所研制的样机在一个运动周期内输出正的力矩均值,可有效的将扑翼的往复直线运动转化为发电马达的旋转运动。     

机器鸟扑翼仿生机构研究

通过对鸟类翅膀的生理结构和运动特征的分析,分别从扑翼鸟的翅膀骨骼机构和飞行中翅膀运动规律两个仿生学角度设计了鸟类翅膀的驱动平面机构。并利用机构设计软件SAM6.0对其进行了运动学的仿真,仿真效果优异,从而为仿生大型鸟类机体设计提供了参考     

仿蝙蝠扑翼飞行器速度波动研究

利用拉格朗日方程,建立了仿蝙蝠折叠扑翼飞行器的动力学方程,分析了翅翼气动阻力和转动惯量对曲柄转速的影响。首先利用流体力学原理,建立了折叠翼气动力矩的数学模型;其次,针对单自由度平面连杆机构等效动力学模型,将平面连杆机构看做是质点系和平面刚体系统所组成的混合系统,建立翅翼在拍动和折叠情况下机构等效力矩和等效转动惯量的数学表达式;最后基于拉个朗日方程建立系统的等效动力学模型,求解系统的真实运动规律,为准确计算扑翼飞行器的气动升力提供了理论基础;以UG软件进行动力学仿真验证,两者在仿真结果上趋于一致,为该方法的可行性提供了依据。     

基于MATLAB与ADAMS对扑翼机构优化仿真分析

微型扑翼机具有体积小和重量轻特征,在其飞行过程中如果左右扑翼动作不能保持良好的一致性,则扑翼机将发生向一边倾斜的现象,控制其平稳飞行难度大。针对上面出现的问题,扑翼机构采用体积最适合微小化、结构最简单、最可靠的单曲柄双摇杆机构,并对此扑翼机构建立运动学和动力学方程模型。在机构设计要求和各个连杆约束条件下,利用MATLAB对其目标函数进行了优化设计。同时利用虚拟样机ADAMS建立单曲柄双摇杆机构模型,对其各杆件长度进行优化分析。经过优化该扑翼机构表明:优化后大大增强了扑翼机左右翼的运动对称性,为后期实物平稳飞行降低控制难度。     

仿生微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计

实验研究表明,昆虫(如鹰蛾)在作特定的飞行时,它的翅尖作8字形运动,并伴有翅翼的翻转.为了设计微扑翼飞行器的翅翼机构,深入研究了8字形曲线的形状谱特征,发现了形状谱及其相似度计算公式无法有效识别不同8字形曲线的问题.针对该问题,提出了一种基于形状谱提取8字形连杆曲线特征参数和区分8字形连杆曲线的新方法,并用此方法进行了仿鹰蛾微扑翼飞行器翅翼机构的运动设计.