仿鳥撲翼飛行器構(gòu)造設(shè)計與氣動性能研究摘要隨著科學(xué)技術(shù)的進展和對學(xué)問的進一步探究，人們在仿生學(xué)領(lǐng)域和低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)方向上的理論爭論漸漸成熟，同時也優(yōu)化了撲翼飛行器的設(shè)計與制造。為了提高撲翼飛行器的氣動性能，本文從驅(qū)動構(gòu)造和機翼的氣動性能兩方面進展?fàn)幷摚瑢追N撲動機構(gòu)進展了對比，選擇單曲柄雙搖桿機構(gòu)作為爭論對象，進展了機械建模和運動仿真。針對優(yōu)化前后兩組不同的數(shù)據(jù)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(shù)等數(shù)據(jù)分析，爭論了撲翼飛行器機翼的氣動性能。爭論說明，當(dāng)振幅為45°時，翅翼外表的升阻比為整組數(shù)據(jù)的最大值，并且在這種運動狀態(tài)下，翅翼外表的相對壓力較小，翅翼上下外表的壓力負(fù)擔(dān)較小，且具備良好的速度特性，翅翼的氣動性能最正確。關(guān)鍵詞：撲翼飛行器；氣動性能；構(gòu)造設(shè)計引言隨著科技的進展，對空氣動力學(xué)的爭論逐步完善，但我們不行否認(rèn)的是，雖然撲翼飛行已經(jīng)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(chǎn)品當(dāng)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(yīng)用在國防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，完成很多其他飛行器和人類無法完成的任務(wù)。與此同時，仿鳥撲翼飛行器需要足夠的動力系統(tǒng)，以及輕松但具備肯定強度的構(gòu)造骨架。因此，爭論仿鳥撲翼飛行器構(gòu)造設(shè)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(jì)90年月。張志濤等、曹雅忠等、程登發(fā)等、吳孔明和郭予元、彩萬志等分別開展了生物飛行動力學(xué)、生理學(xué)、功能形態(tài)學(xué)等方面的爭論[[1]]。南京航空航天大學(xué)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(shù)值計算，認(rèn)為承受這種模型，升力系數(shù)明顯增加[[2]]。北京航空航天大學(xué)的孫茂等人用Navier-Stokes方程數(shù)值解和渦動力學(xué)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)動構(gòu)造和機翼的氣動性能兩方面進展?fàn)幷摚瑢追N撲動機構(gòu)進展了比照，選擇單曲柄雙搖桿機構(gòu)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(qū)動機構(gòu)的分析與建模分別是單自由度驅(qū)動機構(gòu)和多自由度驅(qū)動機構(gòu)。單自由度驅(qū)動機構(gòu)雖然只能實現(xiàn)還可以在單自由度驅(qū)動機構(gòu)的根底上，另外添加其他簡單的運動機構(gòu)。在現(xiàn)代化已經(jīng)成型的撲翼機中，多承受如此的驅(qū)動機構(gòu)，其相應(yīng)的構(gòu)造設(shè)計優(yōu)化計算與實驗設(shè)計也已經(jīng)漸漸成熟，可以滿足較高的牢靠性。而多自由度驅(qū)動機構(gòu)雖然能實現(xiàn)多種運動狀態(tài)，比方扭轉(zhuǎn)運動，但其構(gòu)造簡單，實行起來較為不易。因此，在當(dāng)前的仿生撲翼飛行器的爭論當(dāng)中，多承受平面曲柄搖桿作為驅(qū)動機構(gòu)。單曲柄雙搖桿機構(gòu)是由四桿機構(gòu)變形而來，通過驅(qū)動曲柄的運動從而帶動搖桿的上下?lián)鋭樱錁?gòu)造緊湊，且較為簡潔，質(zhì)量輕，易于實現(xiàn)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(qū)動機構(gòu)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(qū)動機構(gòu)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(gòu)的建模，圖2為改進后的驅(qū)動機構(gòu)建模圖。2通過對各局部機構(gòu)數(shù)據(jù)的優(yōu)化，優(yōu)化后兩側(cè)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(yōu)化前后撲翼角差值的最大值降幅為90.23％。可見，通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變提高了撲翼驅(qū)動機構(gòu)的對稱性。撲翼角的幅值是另一個重要的運動參數(shù)，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(yōu)化后的數(shù)據(jù)建立的單曲柄雙搖桿機構(gòu)的撲翼角度的幅值為51.86°，50°～120°的范圍內(nèi)。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(shù)據(jù)處理與結(jié)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(shù) 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(shù)據(jù)的最大值，并且在這種運動狀態(tài)下，翅翼外表的相對壓力較小，翅翼上下外表的壓力負(fù)擔(dān)較小，且具備良好的速度特性，所以認(rèn)為在此狀態(tài)下，翅翼的氣動性能最正確。結(jié)語：通過比較分析不同驅(qū)動機構(gòu)的優(yōu)缺點，單曲柄雙搖桿機構(gòu)因具有效率同一時刻的差值盡可能的減小，使機構(gòu)更加具備對稱性。當(dāng)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(shù)與應(yīng)用,2023(06):12-17.[[2]][D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2023.[[3]]S.L.Lan,M.Sun.AerodynamicpropertiesofawingperformingunsteadyrotationalmotionsatlowReynoldsnumber[J].ActaMech.2023,149:135-147.[[4]]S.L