微型扑翼飞行器扑翼气动特性分析

刘赫然，黄 健（吉林大学机械科学与工程学院，长春 130025）

微型扑翼飞行器扑翼气动特性分析

刘赫然，黄 健
（吉林大学机械科学与工程学院，长春 130025）

本文主要是以飞蛾的翅翼作为分析对象，设计了不同结构和形状的蛾翼；通过改变扑翼频率等性能参数，对扑翼的气动特性进行分析；通过利用有限元软件，对翅翼进行单向流固耦合分析；并得出翅翼结构对气动特性的相关影响因素。

翅翼；有限元分析；流固耦合；气动特性

0　引言

近年来，微型扑翼飞行器因其尺寸小、机动性强、隐蔽性好等特点，已经成为国内外研究的热点。其中在空气动力学方面是扑翼飞行器的研究基础也是研究重点，在国内外学者的研究工作中发现，扑翼飞行器的柔性翅翼对扑翼的气动特性有较大的影响［1-3］。因此，为了更好的了解扑翼飞行器在低雷诺数下能够稳定灵活的飞行，有必要进行相关的扑翼气动特征分析。

在自然界中，扑翼式生物产生气动力的来源主要有以下三种：（1）主动推升力（通过扑翼的翅翼的自身扑动产生）；（2）惯性叠加力（通过飞行时惯性力和自身重量产生）；（3）柔性变形力（通过翅翼在扑动时产生柔性变形而产生）。在这三种产生的推升力均存在一定关系的耦合，而且在主动推升力和柔性变形力的研究中，Dickinson［4］等人利用通过研究昆虫的翅膀动作提出了三种动作模式：尾迹捕捉、旋转环流和延时失速，充分论证了两种力之间的耦合关系。孙茂［5］等人用数值模拟方法，求解N-S方程研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。分别就昆虫在不同飞行状态下、不同速度时升力及推力的来源进行了分析，完善了扑翼飞行器的气动机理，同时得出了比功率随飞行速度的变化关系曲线。

本文从仿生学角度出发，建立了仿生翼脉。通过利用有限元分析软件，对翅翼进行单向流固耦合分析，然后通过改变扑翼特性参数（扑翼攻角、扑翼频率等）实验对比，分析仿生翼脉的不同结构对柔性扑翼气动结构特性的影响。

1　研究对象

目前所研究的扑翼飞行器按其特征尺寸形状可以分为仿鸟类扑翼飞行器和仿昆虫扑翼飞行器，由于鸟类的翅膀结构很复杂，通过控制肌肉来控制骨骼以及小羽翼的变化，其动作特征灵活多样，完全模仿其动作难度较大，但昆虫翅翼则不同，它们只在翅翼根部有肌肉，翅翼的状态只能从根部来控制。仿昆虫飞行器其特征尺寸更易实现微型化，并兼具灵活性等特点，所以选取蛾翼为研究对象。根据真实的飞蛾翅翼的外形，采用与真实翼外形相同的平板作为初步模型。

2　模型建立

根据仿生学原理和扑翼飞行生物的几何相似原理，初步选取仿生翼模型的展长R=56mm，弦长C=25.5mm，厚t=30μm，其翼脉采用碳纤维杆结构，初始建模忽略了昆虫的三维结构以及翅脉结构，建立仿蛾翼状的平板模型，如图1所示。

图1　蛾翼的仿生翅膀

采用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH 15.0对其进行流固耦合分析；根据流固耦合分析的结果进行必要的模型改进，采用碳纤维构成其翅脉对仿生翼模型进行改进；根据仿真结果又对参数进行修改，通过模态分析对模型参数进行优化，之后分别对仿生翼模型进行了单向流固耦合分析以及双向流固耦合分析进行验证，得到了仿生翼最终的应力，应变以及变形分布云图。

3　模拟计算结果与分析

对蛾翼模型建立的有限元模型。经过单向流固耦合分析得出以下结果：在图2中，由其变形云图可知，其最大变形量达到55.476mm，分析的知变形量过大，显然使用平板模型是不合理的，而且其升力只有0.0018N，相当于0.18g的升力，显然满足不了要求。对仿生翼模型进行优化，自行设计了翅脉分布经有限元分析得出以下结果：在图3中，其升力依旧不足，仅有0.0018N，可见增加翅脉并不能改变升力的大小，而且从应力应变云图看出：其应变数值很小，应变的分布范围也极其有限。需要对模型参数进行进一步优化。在其它参数保持不变的情况下，改变扑翼频率f=6Hz，计算得到升力曲线如图4所示。由此可见，通过增加扑翼频率和拍打角幅值可以增加扑翼飞行器的升力。经过模态分析后得出前六段频率，并使一阶弯曲频率作为拍打频率进行单向流固耦合分析，得出如下结果：如图5，由仿生翼的变形分布云图得知，通过增大模型参数的扑翼频率和拍动角度幅值，其最大变形量为0.374mm，依旧非常小，但是其升力却增加了很多，达到了0.0629N，即升力达到6.4g，即飞行器的升力有了大幅度提高。从其应力分布云图得知，最大应力为68.781Mpa，作用于仿生翼根部的翅脉相交处，远小于碳纤维的抗拉极限强度。从其应变分布云图得知，相较于之前模型的应变，应变值及应变范围都增加了许多。

图2　仿生翼变形分布云图

图3　优化后的仿生翼变形分布云图

图4　不同扑翼频率与时间的关系

图5　进一步优化变形分布云图

4　结论

本文主要研究了不同扑翼翅翼结构对翅翼气动特性的影响，通过有限元分析软件对仿生翼进行了模态分析，单向流固耦合分析得出了以下结论：

（1）翅脉结构以及翅脉材料对于仿生翼的强度起着决定性的作用，在没有翅脉的情况下，仿生翼的变形量很大。（2）利用模态分析得出仿生翼的一阶弯曲频率并使其作为扑翼的拍打频率，既可以增加仿生翼的升力，还可以减少扭转的压电致动器所带来的附加尺寸与重量。

［1］曾锐，昂海松等.扑翼柔性及其对气动特性的影响［J］.计算力学学报，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］孙茂，吴江浩.微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗［J］.航空学报，2002（23）:pp385-393.

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

刘赫然，本科，研究方向：机械工程。