微型撲翼飛行器撲翼氣動特性分析

劉赫然，黃 健（吉林大學機械科學與工程學院，長春 130025）

微型撲翼飛行器撲翼氣動特性分析

劉赫然，黃 健
（吉林大學機械科學與工程學院，長春 130025）

本文主要是以飛蛾的翅翼作為分析對象，設計了不同結構和形狀的蛾翼；通過改變撲翼頻率等性能參數，對撲翼的氣動特性進行分析；通過利用有限元軟件，對翅翼進行單向流固耦合分析；并得出翅翼結構對氣動特性的相關影響因素。

翅翼；有限元分析；流固耦合；氣動特性

0　引言

近年來，微型撲翼飛行器因其尺寸小、機動性強、隱蔽性好等特點，已經成為國內外研究的熱點。其中在空氣動力學方面是撲翼飛行器的研究基礎也是研究重點，在國內外學者的研究工作中發現，撲翼飛行器的柔性翅翼對撲翼的氣動特性有較大的影響［1-3］。因此，為了更好的了解撲翼飛行器在低雷諾數下能夠穩定靈活的飛行，有必要進行相關的撲翼氣動特征分析。

在自然界中，撲翼式生物產生氣動力的來源主要有以下三種：（1）主動推升力（通過撲翼的翅翼的自身撲動產生）；（2）慣性疊加力（通過飛行時慣性力和自身重量產生）；（3）柔性變形力（通過翅翼在撲動時產生柔性變形而產生）。在這三種產生的推升力均存在一定關系的耦合，而且在主動推升力和柔性變形力的研究中，Dickinson［4］等人利用通過研究昆蟲的翅膀動作提出了三種動作模式：尾跡捕捉、旋轉環流和延時失速，充分論證了兩種力之間的耦合關系。孫茂［5］等人用數值模擬方法，求解N-S方程研究了昆蟲前飛時的氣動力和需用功率。分別就昆蟲在不同飛行狀態下、不同速度時升力及推力的來源進行了分析，完善了撲翼飛行器的氣動機理，同時得出了比功率隨飛行速度的變化關系曲線。

本文從仿生學角度出發，建立了仿生翼脈。通過利用有限元分析軟件，對翅翼進行單向流固耦合分析，然后通過改變撲翼特性參數（撲翼攻角、撲翼頻率等）實驗對比，分析仿生翼脈的不同結構對柔性撲翼氣動結構特性的影響。

1　研究對象

目前所研究的撲翼飛行器按其特征尺寸形狀可以分為仿鳥類撲翼飛行器和仿昆蟲撲翼飛行器，由于鳥類的翅膀結構很復雜，通過控制肌肉來控制骨骼以及小羽翼的變化，其動作特征靈活多樣，完全模仿其動作難度較大，但昆蟲翅翼則不同，它們只在翅翼根部有肌肉，翅翼的狀態只能從根部來控制。仿昆蟲飛行器其特征尺寸更易實現微型化，并兼具靈活性等特點，所以選取蛾翼為研究對象。根據真實的飛蛾翅翼的外形，采用與真實翼外形相同的平板作為初步模型。

2　模型建立

根據仿生學原理和撲翼飛行生物的幾何相似原理，初步選取仿生翼模型的展長R=56mm，弦長C=25.5mm，厚t=30μm，其翼脈采用碳纖維桿結構，初始建模忽略了昆蟲的三維結構以及翅脈結構，建立仿蛾翼狀的平板模型，如圖1所示。

圖1　蛾翼的仿生翅膀

采用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH 15.0對其進行流固耦合分析；根據流固耦合分析的結果進行必要的模型改進，采用碳纖維構成其翅脈對仿生翼模型進行改進；根據仿真結果又對參數進行修改，通過模態分析對模型參數進行優化，之后分別對仿生翼模型進行了單向流固耦合分析以及雙向流固耦合分析進行驗證，得到了仿生翼最終的應力，應變以及變形分布云圖。

3　模擬計算結果與分析

對蛾翼模型建立的有限元模型。經過單向流固耦合分析得出以下結果：在圖2中，由其變形云圖可知，其最大變形量達到55.476mm，分析的知變形量過大，顯然使用平板模型是不合理的，而且其升力只有0.0018N，相當于0.18g的升力，顯然滿足不了要求。對仿生翼模型進行優化，自行設計了翅脈分布經有限元分析得出以下結果：在圖3中，其升力依舊不足，僅有0.0018N，可見增加翅脈并不能改變升力的大小，而且從應力應變云圖看出：其應變數值很小，應變的分布范圍也極其有限。需要對模型參數進行進一步優化。在其它參數保持不變的情況下，改變撲翼頻率f=6Hz，計算得到升力曲線如圖4所示。由此可見，通過增加撲翼頻率和拍打角幅值可以增加撲翼飛行器的升力。經過模態分析后得出前六段頻率，并使一階彎曲頻率作為拍打頻率進行單向流固耦合分析，得出如下結果：如圖5，由仿生翼的變形分布云圖得知，通過增大模型參數的撲翼頻率和拍動角度幅值，其最大變形量為0.374mm，依舊非常小，但是其升力卻增加了很多，達到了0.0629N，即升力達到6.4g，即飛行器的升力有了大幅度提高。從其應力分布云圖得知，最大應力為68.781Mpa，作用于仿生翼根部的翅脈相交處，遠小于碳纖維的抗拉極限強度。從其應變分布云圖得知，相較于之前模型的應變，應變值及應變范圍都增加了許多。

圖2　仿生翼變形分布云圖

圖3　優化后的仿生翼變形分布云圖

圖4　不同撲翼頻率與時間的關系

圖5　進一步優化變形分布云圖

4　結論

本文主要研究了不同撲翼翅翼結構對翅翼氣動特性的影響，通過有限元分析軟件對仿生翼進行了模態分析，單向流固耦合分析得出了以下結論：

（1）翅脈結構以及翅脈材料對于仿生翼的強度起著決定性的作用，在沒有翅脈的情況下，仿生翼的變形量很大。（2）利用模態分析得出仿生翼的一階彎曲頻率并使其作為撲翼的拍打頻率，既可以增加仿生翼的升力，還可以減少扭轉的壓電致動器所帶來的附加尺寸與重量。

［1］曾銳，昂海松等.撲翼柔性及其對氣動特性的影響［J］.計算力學學報，2005，22（06）:750-754.

［2］Liani E，Guo S，Allegri G.Aerodynamics and aeroelasticity of flexible flapping wings ［R］.2007.

［3］Kim D K，Lee J S，et al.An aeroelastic analysis of a flexible flapping wing using modified strip theory［J］.Active and Passive Smart Structures and Integrated Systems，2008，6928:1-8.

［4］Michael H.Dickinson，Fritz-Olaf Lehmann，Sanjay P.Sane.Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight［J］，（1999）：1954-60.

［5］孫茂，吳江浩.微型飛行器的仿生流體力學——昆蟲前飛時的氣動力和能耗［J］.航空學報，2002（23）:pp385-393.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.237

劉赫然，本科，研究方向：機械工程。