微型撲翼飛行器在飛行效率、機動性、仿生隱蔽性等方面具有極大的發(fā)展?jié)摿?是未來執(zhí)行偵察、監(jiān)測任務的最佳選擇之一。目前微型撲翼飛行器的撲動翼氣動效率較低,仍不能像自然界中的飛行生物一樣高效飛行。其主要原因之一是目前缺乏針對復雜柔性結構和考慮機體運動影響的高精度氣動計算方法和高效撲動翼設計方法。針對該計算和設計難題,本文首先發(fā)展了兩種基于結構參數(shù)實測的柔性撲動翼氣動計算方法:CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics)計算方法和基于二維非定常氣動模型(Peters’inflow theory)的氣動結構耦合(Fluid Structure Interaction)計算方法PFSI;然后基于CFD/CSD計算方法和實驗方法研究了高氣動效率柔性撲動翼的設計方法;為進一步提高現(xiàn)有計算方法的精度,基于CFD/CSD計算方法發(fā)展了考慮機體單剛體運動的計算方法并研究了機體運動對撲翼飛行的影響,同時基于PFSI計算方法發(fā)展了可考慮多體運動的計算方法,后者可實現(xiàn)對機體和撲動翼運動更準確建模;通過高速攝像實驗、風洞實驗和飛行實驗對上述計算方法和設計方法進行了驗證;此外基于CFD/CSD計算方法和基于代理模型的優(yōu)化方法對兼具撲動滑翔功能的撲動翼進行了結構優(yōu)化設計;最后研究了結構柔性和機體沉浮俯仰運動對撲翼飛行器縱向穩(wěn)定性的影響。具體研究內(nèi)容和結論為:(1)發(fā)展了兩種基于結構參數(shù)實測的柔性撲動翼氣動計算方法。一種是通過將計算流體動力學(CFD)求解器與計算結構動力學(CSD)軟件ABAQUS進行松耦合,發(fā)展了計算精度較高但計算成本較大的CFD/CSD計算方法;另一種是將二維非定常氣動模型(Peters’inflow theory)與撲動翼的結構動力學方程進行緊耦合,實現(xiàn)柔性撲動翼氣動特性的快速計算。該類方法在對復雜柔性撲動翼結構進行建模過程中,通過結構靜加載實驗、結構模態(tài)測量實驗和高速攝像實驗等多種實驗手段進行結構參數(shù)的測量和驗證,充分保證了結構建模的準確性。該兩種計算方法具有不同計算精度和計算成本,可以滿足不同的計算需求。兩種方法的計算結果與實驗結果吻合良好,驗證了計算方法的精度。(2)基于CFD/CSD計算方法和實驗方法研究了高氣動效率柔性撲動翼的設計方法。根據(jù)飛行器配平狀態(tài)與撲動翼氣動效率之間的關系,確定了高氣動效率撲動翼的設計目標。研究了四種通過提高撲動頻率與結構模態(tài)頻率之比(頻率比)來同時提高靜推力和靜推進效率的方案,研究結果表明增大撲動頻率、改變撲動翼外段翼肋直徑和改變外段翼肋截面參數(shù)均不能有效達到設計目標,但通過改變外段翼肋的質(zhì)量分布可以獲得靜推力和靜推進效率同時大幅提升。最后基于CFD/CSD計算方法對外段翼肋的質(zhì)量配重進行了確定,滿足在有來流情況下的撲動翼升力和推力同時提高的設計要求,進而可以在實際飛行中降低撲動頻率和提高氣動效率。(3)為進一步提高現(xiàn)有計算方法的精度,研究了機體運動對撲翼飛行的影響。首先發(fā)展了一種CFD/CSD/EoRBD(單剛體運動方程)的耦合計算方法,研究了機體運動對撲翼飛行氣動特性和配平狀態(tài)的影響,同時研究了撲動翼的質(zhì)量與全機質(zhì)量之比(簡稱撲動翼質(zhì)量占比)對機體運動幅值和氣動特性的影響規(guī)律。為進一步實現(xiàn)對撲動翼慣性力的準確建模,發(fā)展了一種PFSI/EoMD(多體動力學方程)的氣動/結構/多體動力學耦合計算方法,實現(xiàn)了對撲動翼和機體運動更準確建模,并實現(xiàn)了撲翼飛行的開環(huán)自由飛仿真。(4)通過飛行實驗對上述的計算方法和設計方法進行了驗證。三次飛行實驗表明新設計的高氣動效率撲動翼可以在同樣的飛行速度和飛行條件下節(jié)約13%左右的功耗。通過對飛行實驗數(shù)據(jù)的采集和辨識,獲得了撲翼飛行器機體沉浮和俯仰運動幅值,并與計算值進行了對比。計算結果和飛行實驗結果吻合良好,驗證了CFD/CSD/EoRBD耦合計算方法的正確性,實現(xiàn)了進一步提高撲動翼計算精度的目標。(5)基于CFD/CSD計算方法,針對兼具撲動與滑翔復合飛行功能的撲動翼進行了結構優(yōu)化設計�；陲w行過程中動能不變、勢能改變的假設,建立了適用于撲動滑翔的飛行模型。針對撲動翼的結構參數(shù)(材料的彈性模量和密度),通過基于代理模型的優(yōu)化方法分別進行了不同參數(shù)的單獨優(yōu)化與綜合優(yōu)化,優(yōu)化后的結構在撲動滑翔復合飛行過程中理論上能夠節(jié)省30%以上的能量。(6)研究了撲動翼的柔性和機體運動對飛行器縱向穩(wěn)定性的影響。研究結果發(fā)現(xiàn)撲動翼的柔性可以使剛性撲動翼對應的縱向運動不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定,說明了撲動翼的柔性在一些情況下可改變撲翼飛行器的縱向穩(wěn)定性。本文基于兩種穩(wěn)定性分析方法研究了機體運動對縱向穩(wěn)定性的影響,通過比較兩種方法的計算結果,發(fā)現(xiàn)針對撲動翼質(zhì)量占比超過10%的撲翼飛行器,平均方法不再適合進行穩(wěn)定性分析,需要使用Floquet方法進行穩(wěn)定性分析。此外還基于平尾的俯仰阻尼力矩原理提出了適用于撲翼飛行器的仿生起落架及控制系統(tǒng)的設計方法。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V211.41
【部分圖文】：

(c)南航“金鷹” (d)西工大“信鴿”圖 1- 1 國內(nèi)外具有代表性的撲翼飛行器前撲翼飛行器主要分為仿昆蟲型撲翼飛行器和仿鳥型撲翼飛行器，雖然它飛行器，但它們的飛行方式卻有著很大區(qū)別。如圖 1- 2[6]所示，仿鳥型撲類一樣以平飛為主，撲動頻率一般在 3~20Hz，升力主要來源于前飛速度

圖 1- 2 飛行生物的雷諾數(shù)（定義見公式 1-1）、撲動頻率、翅膀重量占比的關系[6] 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 撲翼飛行無量綱氣動參數(shù)介紹為方便下文的介紹，這里先介紹四個常用的描述撲翼飛行的無量綱氣動參數(shù)。雷諾數(shù)R ：代表流體慣性力和粘性力的比值，其定義公式如下：

PFSI 計算方法發(fā)展了可考慮多體運動的計算方法，后者可實現(xiàn)對機體和撲動翼運動更準確建模；通過高速攝像實驗、風洞試驗和飛行實驗對上述計算方法和設計方法進行了驗證；此外，基于 CFD/CSD 計算方法和基于代理模型的優(yōu)化方法對兼具撲動滑翔功能的撲動翼進行了結構優(yōu)化設計；最后研究了結構柔性和機體沉浮俯仰運動對撲翼飛行器縱向穩(wěn)定性的影響。研究內(nèi)容邏輯框圖如下：

【參考文獻】

相關期刊論文 前7條

1 陳利麗;宋筆鋒;宋文萍;楊文青;;一種基于結構動力學的柔性撲翼氣動結構耦合方法研究[J];航空學報;2013年12期

2 楊文青;宋筆鋒;宋文萍;;高效確定重疊網(wǎng)格對應關系的距離減縮法及其應用[J];航空學報;2009年02期

3 謝輝;宋文萍;宋筆鋒;;微型撲翼繞流的N-S方程數(shù)值模擬[J];西北工業(yè)大學學報;2008年01期

4 昂海松;曾銳;段文博;史志偉;;柔性撲翼微型飛行器升力和推力機理的風洞試驗和飛行試驗[J];航空動力學報;2007年11期

5 邵立民;宋筆鋒;熊超;楊淑利;;微型撲翼飛行器風洞試驗初步研究[J];航空學報;2007年02期

6 楊淑利;宋文萍;宋筆鋒;邵立民;;微型撲翼飛行器機翼氣動特性研究[J];西北工業(yè)大學學報;2006年06期

7 曾銳,昂海松;仿鳥復合振動的撲翼氣動分析[J];南京航空航天大學學報;2003年01期

相關博士學位論文 前1條

1 劉俊;基于代理模型的高效氣動優(yōu)化設計方法及應用[D];西北工業(yè)大學;2015年

相關碩士學位論文 前1條

1 龔凱;有限翼展撲動翼的歐拉方程數(shù)值模擬[D];西北工業(yè)大學;2003年

本文編號：2815897