仿鳥撲翼飛行器構造設計與氣動性能研究摘要隨著科學技術的進展和對學問的進一步探究，人們在仿生學領域和低雷諾數空氣動力學方向上的理論爭論漸漸成熟，同時也優化了撲翼飛行器的設計與制造。為了提高撲翼飛行器的氣動性能，本文從驅動構造和機翼的氣動性能兩方面進展爭論，將幾種撲動機構進展了對比，選擇單曲柄雙搖桿機構作為爭論對象，進展了機械建模和運動仿真。針對優化前后兩組不同的數據進展運動仿真；同時，以翅翼作為爭論對象進展仿真計算，通過壓力云圖、速度云圖和升阻力系數等數據分析，爭論了撲翼飛行器機翼的氣動性能。爭論說明，當振幅為45°時，翅翼外表的升阻比為整組數據的最大值，并且在這種運動狀態下，翅翼外表的相對壓力較小，翅翼上下外表的壓力負擔較小，且具備良好的速度特性，翅翼的氣動性能最正確。關鍵詞：撲翼飛行器；氣動性能；構造設計引言隨著科技的進展，對空氣動力學的爭論逐步完善，但我們不行否認的是，雖然撲翼飛行已經被鳥類或昆蟲類嫻熟的運用到各個方面，但人們還沒有將撲翼飛行成熟的表達在某一產品當中。撲翼飛行器相比于固定翼與旋翼飛行器，能夠快速起飛，加速，懸停，具有極高的機動性與敏捷性；可以應用在國防領域和民用領域，完成很多其他飛行器和人類無法完成的任務。與此同時，仿鳥撲翼飛行器需要足夠的動力系統，以及輕松但具備肯定強度的構造骨架。因此，爭論仿鳥撲翼飛行器構造設計與氣動性能有著重要意義。我國對于撲翼飛行器的爭論起步于上世紀90年月。張志濤等、曹雅忠等、程登發等、吳孔明和郭予元、彩萬志等分別開展了生物飛行動力學、生理學、功能形態學等方面的爭論[[1]]。南京航空航天大學曾銳，昂海松等對鳥類撲翼飛行機理進展了深入爭論，提出一種的變速、折疊模型，并通過數值計算，認為承受這種模型，升力系數明顯增加[[2]]。北京航空航天大學的孫茂等人用Navier-Stokes方程數值解和渦動力學理論爭論了模型昆蟲翼作非定常運動時的氣動力特性，解釋了昆蟲產生高升力的機理，在此根底上探究了微型飛行器的飛行原理，包括氣動布局概念、掌握方式、最大速度、允許重量以及需要功率等問題[[3]][[4][[5]][[6]]。以上的這些理論都能夠很好的解釋鳥類產生升力的原理，并且能夠很好的為撲翼飛行器的制造供給理論支持。本文通過仿照鳥類的飛行特點，從驅動構造和機翼的氣動性能兩方面進展爭論，將幾種撲動機構進展了比照，選擇單曲柄雙搖桿機構作為爭論對象，對撲翼飛行器機翼的氣動性能進展了爭論。撲翼驅動機構的分析與建模分別是單自由度驅動機構和多自由度驅動機構。單自由度驅動機構雖然只能實現還可以在單自由度驅動機構的根底上，另外添加其他簡單的運動機構。在現代化已經成型的撲翼機中，多承受如此的驅動機構，其相應的構造設計優化計算與實驗設計也已經漸漸成熟，可以滿足較高的牢靠性。而多自由度驅動機構雖然能實現多種運動狀態，比方扭轉運動，但其構造簡單，實行起來較為不易。因此，在當前的仿生撲翼飛行器的爭論當中，多承受平面曲柄搖桿作為驅動機構。單曲柄雙搖桿機構是由四桿機構變形而來，通過驅動曲柄的運動從而帶動搖桿的上下撲動，其構造緊湊，且較為簡潔，質量輕，易于實現微小化，因此多用于仿生撲翼1以實際制造的仿鳥撲翼飛行器為根底，對驅動機構的各部件尺寸進展改進：，以實際制造的仿鳥撲翼飛行器為根底，對驅動機構的各部件尺寸進展改進：，=35mm，γ=54°；20230r/min，35mm54°，可確定一個支點的位置，完成單曲柄雙搖桿機構的建模，圖2為改進后的驅動機構建模圖。2通過對各局部機構數據的優化，優化后兩側搖桿在同一時刻撲翼角的最大差值為1.7°，通過計算可以得知，優化前后撲翼角差值的最大值降幅為90.23％。可見，通過數據的轉變提高了撲翼驅動機構的對稱性。撲翼角的幅值是另一個重要的運動參數，鳥類在飛行時，翅翼撲動的幅值越大，其能夠獲得的推力和升力就越大，而利用優化后的數據建立的單曲柄雙搖桿機構的撲翼角度的幅值為51.86°，50°～120°的范圍內。針對翅翼的氣動性能分析，利用ICEMCFDFluent處理，分析機翼的氣動性能。數據處理與結論分析仿鳥撲翼飛行器大多向鳥類一樣，以平飛為主，翅翼的撲動頻率在10Hz仿鳥撲翼飛行器大多向鳥類一樣，以平飛為主，翅翼的撲動頻率在10Hz1圖3、圖4是在入口流場氣流速度為5m/s的狀況下，撲動頻率時，撲動幅度下，翅翼外表壓力云圖和速度云圖。相振幅

相

最

升

阻 升力系數 阻比〔°〕

(pa)

(pa)

(m/s)6.8606

-4.84

5.86

0.04

0.78

0.051.91

927

-1279.0078

43. 1266.92

17.94

70.45.80

760

-1094.7440

43. 1032.38

12.35

81.40.20

655

-908.15

38.

.22

84742

11.19

74.6503633

-867.67

40.

.21

77954

10.93

73.410Hz，且進口流場流速為445°時，翅翼外表的升阻比為整組數據的最大值，并且在這種運動狀態下，翅翼外表的相對壓力較小，翅翼上下外表的壓力負擔較小，且具備良好的速度特性，所以認為在此狀態下，翅翼的氣動性能最正確。結語：通過比較分析不同驅動機構的優缺點，單曲柄雙搖桿機構因具有效率同一時刻的差值盡可能的減小，使機構更加具備對稱性。當翅翼撲動頻率保持在10Hz時，相對壓力在振幅從51°減小至36°51°40°時漸漸減小，從40°36°60°36°時先是漸漸增大，翅翼的氣動性能最正確。參考文獻[[1]][J].機器人技術與應用,2023(06):12-17.[[2]][D].哈爾濱工業大學,2023.[[3]]S.L.Lan,M.Sun.AerodynamicpropertiesofawingperformingunsteadyrotationalmotionsatlowReynoldsnumber[J].ActaMech.2023,149:135-147.[[4]]S.L