微型撲翼飛行器撲翼氣動(dòng)特性分析

劉赫然，黃 健（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025）

微型撲翼飛行器撲翼氣動(dòng)特性分析

劉赫然，黃 健
（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025）

本文主要是以飛蛾的翅翼作為分析對(duì)象，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)和形狀的蛾翼；通過(guò)改變撲翼頻率等性能參數(shù)，對(duì)撲翼的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析；通過(guò)利用有限元軟件，對(duì)翅翼進(jìn)行單向流固耦合分析；并得出翅翼結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)特性的相關(guān)影響因素。

翅翼；有限元分析；流固耦合；氣動(dòng)特性

0　引言

近年來(lái)，微型撲翼飛行器因其尺寸小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性好等特點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。其中在空氣動(dòng)力學(xué)方面是撲翼飛行器的研究基礎(chǔ)也是研究重點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作中發(fā)現(xiàn)，撲翼飛行器的柔性翅翼對(duì)撲翼的氣動(dòng)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(shù)下能夠穩(wěn)定靈活的飛行，有必要進(jìn)行相關(guān)的撲翼氣動(dòng)特征分析。

在自然界中，撲翼式生物產(chǎn)生氣動(dòng)力的來(lái)源主要有以下三種：（1）主動(dòng)推升力（通過(guò)撲翼的翅翼的自身?yè)鋭?dòng)產(chǎn)生）；（2）慣性疊加力（通過(guò)飛行時(shí)慣性力和自身重量產(chǎn)生）；（3）柔性變形力（通過(guò)翅翼在撲動(dòng)時(shí)產(chǎn)生柔性變形而產(chǎn)生）。在這三種產(chǎn)生的推升力均存在一定關(guān)系的耦合，而且在主動(dòng)推升力和柔性變形力的研究中，Dickinson［4］等人利用通過(guò)研究昆蟲(chóng)的翅膀動(dòng)作提出了三種動(dòng)作模式：尾跡捕捉、旋轉(zhuǎn)環(huán)流和延時(shí)失速，充分論證了兩種力之間的耦合關(guān)系。孫茂［5］等人用數(shù)值模擬方法，求解N-S方程研究了昆蟲(chóng)前飛時(shí)的氣動(dòng)力和需用功率。分別就昆蟲(chóng)在不同飛行狀態(tài)下、不同速度時(shí)升力及推力的來(lái)源進(jìn)行了分析，完善了撲翼飛行器的氣動(dòng)機(jī)理，同時(shí)得出了比功率隨飛行速度的變化關(guān)系曲線。

本文從仿生學(xué)角度出發(fā)，建立了仿生翼脈。通過(guò)利用有限元分析軟件，對(duì)翅翼進(jìn)行單向流固耦合分析，然后通過(guò)改變撲翼特性參數(shù)（撲翼攻角、撲翼頻率等）實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析仿生翼脈的不同結(jié)構(gòu)對(duì)柔性撲翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)特性的影響。

1　研究對(duì)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(niǎo)類撲翼飛行器和仿昆蟲(chóng)撲翼飛行器，由于鳥(niǎo)類的翅膀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，通過(guò)控制肌肉來(lái)控制骨骼以及小羽翼的變化，其動(dòng)作特征靈活多樣，完全模仿其動(dòng)作難度較大，但昆蟲(chóng)翅翼則不同，它們只在翅翼根部有肌肉，翅翼的狀態(tài)只能從根部來(lái)控制。仿昆蟲(chóng)飛行器其特征尺寸更易實(shí)現(xiàn)微型化，并兼具靈活性等特點(diǎn)，所以選取蛾翼為研究對(duì)象。根據(jù)真實(shí)的飛蛾翅翼的外形，采用與真實(shí)翼外形相同的平板作為初步模型。

2　模型建立

根據(jù)仿生學(xué)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(zhǎng)R=56mm，弦長(zhǎng)C=25.5mm，厚t=30μm，其翼脈采用碳纖維桿結(jié)構(gòu)，初始建模忽略了昆蟲(chóng)的三維結(jié)構(gòu)以及翅脈結(jié)構(gòu)，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(duì)其進(jìn)行流固耦合分析；根據(jù)流固耦合分析的結(jié)果進(jìn)行必要的模型改進(jìn)，采用碳纖維構(gòu)成其翅脈對(duì)仿生翼模型進(jìn)行改進(jìn)；根據(jù)仿真結(jié)果又對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，通過(guò)模態(tài)分析對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，之后分別對(duì)仿生翼模型進(jìn)行了單向流固耦合分析以及雙向流固耦合分析進(jìn)行驗(yàn)證，得到了仿生翼最終的應(yīng)力，應(yīng)變以及變形分布云圖。

3　模擬計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)蛾翼模型建立的有限元模型。經(jīng)過(guò)單向流固耦合分析得出以下結(jié)果：在圖2中，由其變形云圖可知，其最大變形量達(dá)到55.476mm，分析的知變形量過(guò)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(dāng)于0.18g的升力，顯然滿足不了要求。對(duì)仿生翼模型進(jìn)行優(yōu)化，自行設(shè)計(jì)了翅脈分布經(jīng)有限元分析得出以下結(jié)果：在圖3中，其升力依舊不足，僅有0.0018N，可見(jiàn)增加翅脈并不能改變升力的大小，而且從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D看出：其應(yīng)變數(shù)值很小，應(yīng)變的分布范圍也極其有限。需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在其它參數(shù)保持不變的情況下，改變撲翼頻率f=6Hz，計(jì)算得到升力曲線如圖4所示。由此可見(jiàn)，通過(guò)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(jīng)過(guò)模態(tài)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(jìn)行單向流固耦合分析，得出如下結(jié)果：如圖5，由仿生翼的變形分布云圖得知，通過(guò)增大模型參數(shù)的撲翼頻率和拍動(dòng)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(dá)到了0.0629N，即升力達(dá)到6.4g，即飛行器的升力有了大幅度提高。從其應(yīng)力分布云圖得知，最大應(yīng)力為68.781Mpa，作用于仿生翼根部的翅脈相交處，遠(yuǎn)小于碳纖維的抗拉極限強(qiáng)度。從其應(yīng)變分布云圖得知，相較于之前模型的應(yīng)變，應(yīng)變值及應(yīng)變范圍都增加了許多。

圖2　仿生翼變形分布云圖

圖3　優(yōu)化后的仿生翼變形分布云圖

圖4　不同撲翼頻率與時(shí)間的關(guān)系

圖5　進(jìn)一步優(yōu)化變形分布云圖

4　結(jié)論

本文主要研究了不同撲翼翅翼結(jié)構(gòu)對(duì)翅翼氣動(dòng)特性的影響，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)仿生翼進(jìn)行了模態(tài)分析，單向流固耦合分析得出了以下結(jié)論：

（1）翅脈結(jié)構(gòu)以及翅脈材料對(duì)于仿生翼的強(qiáng)度起著決定性的作用，在沒(méi)有翅脈的情況下，仿生翼的變形量很大。（2）利用模態(tài)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(zhuǎn)的壓電致動(dòng)器所帶來(lái)的附加尺寸與重量。

［1］曾銳，昂海松等.撲翼柔性及其對(duì)氣動(dòng)特性的影響［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，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，F(xiàn)ritz-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(xué)——昆蟲(chóng)前飛時(shí)的氣動(dòng)力和能耗［J］.航空學(xué)報(bào)，2002（23）:pp385-393.

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

劉赫然，本科，研究方向：機(jī)械工程。