本文關鍵詞：仿生撲翼飛行器的氣動力與驅(qū)動機構研究

  更多相關文章： 仿昆撲翼飛行器 柔性翅 ∞字驅(qū)動機構 諧波理論 改進葉素理論 數(shù)值模擬

【摘要】：撲翼飛行器因其不同于常見的固定翼飛行器和旋翼飛行器而吸引著人們的廣泛關注,其僅依靠翅膀的上下?lián)鋭泳涂梢酝瑫r產(chǎn)生前進所需的前推力以及所需的上升力,這種飛行器具有靈活機動性好,飛行所需能耗少,機體結(jié)構小型緊湊的特點。以模仿蜜蜂飛行軌跡為目標,本文在總結(jié)現(xiàn)有撲翼飛行空氣動力學理論的基礎上,從撲動空氣動力學、機械仿生學和機構綜合學等方面出發(fā),對仿生撲翼飛行的飛行氣動機理、翅膀結(jié)構與設計、撲動飛行軌跡的描述、撲翼機器人驅(qū)動機構的設計以及翼面氣動特性的分析等進行深入細致的研究,主要包括以下內(nèi)容:將翅翼視為柔性翅,研究其動力學性能,探索其在給定激勵函數(shù)下的響應問題,為后期電機與驅(qū)動機構的設計提供特性匹配。分析表明,其響應函數(shù)能很好地適應翅膀的撲翼運動,但是,翅變形存在突變的情況,不利于結(jié)構的穩(wěn)定,也不能提供大的升力。在此基礎上,提出翅膀的結(jié)構優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果表明,優(yōu)化后的翅膀很好地避免了翅膀的突變,其響應函數(shù)也能很好地滿足使用要求。從簡單到復雜,分別設計平面∞字型驅(qū)動機構和空間∞字型驅(qū)動機構。對于平面∞字型飛行驅(qū)動機構,采用諧波特征參數(shù)法,通過提取四連桿在復數(shù)范圍內(nèi)系數(shù),建立四連桿機構的數(shù)值圖譜,并利用模糊聚類模型,完成連桿機構參數(shù)的初步設計。在求解完各個桿件的相對尺寸后,為確定具體設計和安裝尺寸,分別建立桿件平移矩陣,旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放矩陣。最終綜合出平面∞字型驅(qū)動機構的完整尺寸參數(shù),并結(jié)合機構的速度和加速度完成機構撲翼飛行的運動學分析。對于空間∞字型驅(qū)動機構,根據(jù)飛行軌跡空間球面的特點采用RRRRS空間五桿五副驅(qū)動機構,雖未能精確地建立空間結(jié)構的數(shù)學模型,但是還是根據(jù)4RS機構的特性完成了機構的近似設計。利用仿真分析得出其飛行軌跡與理想運動軌跡吻合度較好。對于撲翼飛行的氣動力,首先針對自然界飛行生物的撲翼飛行原理,以昆蟲為研究重點,從身體構造、翅膀結(jié)構、撲動方式、阻力消除、能量損失方面系統(tǒng)全面地闡述了撲翼飛行方式的高升力機理。研究結(jié)果表明相對于固定翼和旋翼飛行,撲翼飛行對能量的利用率更高,尤其是在低速、低雷諾數(shù)狀態(tài)下。其次定義撲翼飛行的幾何參數(shù)和動力學參數(shù),通過改進非定常葉素理論分析撲翼飛行的空氣動力學特性。根據(jù)撲翼飛行特點分析確定數(shù)值模擬的主控方程、邊界條件和動網(wǎng)格的劃分,得出了數(shù)值模擬的結(jié)果,并結(jié)合撲翼特點對數(shù)值模擬結(jié)果進行了詳細的分析。
【關鍵詞】：仿昆撲翼飛行器 柔性翅 ∞字驅(qū)動機構 諧波理論 改進葉素理論 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：上海工程技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V276;V211.5
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-23
• 1.1 論文研究的背景及意義13-16
• 1.1.1 微型固定翼飛行器(Fixed Wing MAVs)14-15
• 1.1.2 微型旋翼飛行器(Rotary Wing MAVs)15-16
• 1.1.3 微型撲翼飛行器(Flapping Wing MAVs)16
• 1.2 仿生撲翼飛行器研究進展介紹16-21
• 1.2.1 國外關于仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀介紹16-18
• 1.2.2 國內(nèi)關于仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀介紹18-20
• 1.2.3 國內(nèi)外仿生撲翼飛行器研究現(xiàn)狀分析20-21
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容21-23
• 第二章 仿生撲翼飛行器翅翼結(jié)構的動力學分析與優(yōu)化23-38
• 2.1 引言23
• 2.2 撲翼飛行器翅翼的結(jié)構模型23-24
• 2.3 撲翼飛行器翅翼結(jié)構動力學分析與求解24-32
• 2.3.1 建立有限元模型24-26
• 2.3.2 K、M和C的求解26-28
• 2.3.3 總模型合成28-29
• 2.3.4 求解有限元模型29-32
• 2.4 撲翼飛行器撲翼翅優(yōu)化設計32-36
• 2.4.1 建立優(yōu)化模型32-33
• 2.4.2 擬定待優(yōu)化方案33
• 2.4.3 設定優(yōu)化結(jié)果優(yōu)劣評定準則33-34
• 2.4.4 優(yōu)化結(jié)果分析34-36
• 2.5 翅膀顫振的模態(tài)試驗36
• 2.6 本章小結(jié)36-38
• 第三章 仿生撲翼飛行器驅(qū)動機構設計與綜合38-61
• 3.1 仿生撲翼飛行器驅(qū)動機構簡介38-40
• 3.2 昆蟲運動的機構運動學分析40-41
• 3.3 平面∞字型驅(qū)動機構設計與綜合41-53
• 3.3.1 求解連桿在任意配置條件下軌跡諧波理論模型43-45
• 3.3.2 根據(jù)數(shù)值圖譜提取連桿機構尺寸型45-47
• 3.3.3 圖形平移、旋轉(zhuǎn)和縮放47-49
• 3.3.4 平面∞字型驅(qū)動機構的機構簡圖與三維實體建模49-50
• 3.3.5 平面∞字型驅(qū)動機構的機構動力學分析50-53
• 3.4 空間∞字型驅(qū)動機構53-59
• 3.4.1 空間∞字型飛行軌跡的確定53-55
• 3.4.2 空間∞字型驅(qū)動機構的設計55-57
• 3.4.3 空間∞字型驅(qū)動機構的機構動力學分析57-59
• 3.5 本章小結(jié)59-61
• 第四章 仿生撲翼飛行器機翼的氣動力特性分析與計算61-80
• 4.1 昆蟲的撲翼飛行機理分析61-64
• 4.1.1 前緣渦理論（Leading Edge Vortex）61-62
• 4.1.2 旋轉(zhuǎn)力矩理論（Rotational Force）62-63
• 4.1.3 虛擬質(zhì)量效應理論（Virtual mass force）63
• 4.1.4 尾跡捕獲效應（Wing Capture）63-64
• 4.1.5 拍合飛行效應（Clap and Fling Effect）64
• 4.2 撲翼飛行氣動力分析基礎64-67
• 4.2.1 撲翼飛行器的機身和機翼的幾何參數(shù)64-66
• 4.2.2 撲翼飛行器機翼的低速氣動特性66-67
• 4.3 基于非定常葉素理論的飛行器氣動力特性分析67-70
• 4.3.1 前飛力68
• 4.3.2 附加質(zhì)量力68-69
• 4.3.3 旋轉(zhuǎn)力69
• 4.3.4 慣性力69-70
• 4.4 仿生撲翼飛行器氣動特性的數(shù)值計算70-79
• 4.4.1 數(shù)值模擬求解的主控方程70-71
• 4.4.2 數(shù)值模擬求解的湍流模型71-72
• 4.4.3 數(shù)值模擬求解的邊界條件72
• 4.4.4 數(shù)值模擬求解的網(wǎng)格劃分72-74
• 4.4.5 數(shù)值模擬計算的結(jié)果與分析74-79
• 4.5 本章小結(jié)79-80
• 第五章 總結(jié)與展望80-83
• 5.1 本文研究工作進展總結(jié)80-81
• 5.2 本論文的創(chuàng)新點81-82
• 5.3 下一步研究工作中建議82-83
• 參考文獻83-87
• 附錄87-89
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文及取得的相關科研成果89-90
• 致謝90-91

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本文編號：735941