鴿形撲翼機構(gòu)設(shè)計及翅翼周圍流場分析

李佩，郭忠峰，王赫瑩

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧省智能制造與工業(yè)機器人重點實驗室，遼寧沈陽 110870)

0 前言

仿生撲翼飛行器是近年研究熱點之一，它是基于鳥類和昆蟲撲翼飛行特點研制的新型飛行器，通過撲翼產(chǎn)生氣動力幫助飛行器前進和上升，在民用和軍用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。撲翼運動系統(tǒng)是撲翼飛行器的關(guān)鍵，美國Caltech公司研制的MicroBat是一種通過模仿昆蟲撲翼運動實現(xiàn)飛行的小型飛行器；中國臺灣中華大學(xué)TSAI團隊研究的微型撲翼飛行器以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉聰設(shè)計的驅(qū)動機構(gòu)都選用了單曲柄雙搖桿機構(gòu)，該機構(gòu)存在一定的相位差，不能實現(xiàn)撲翼運動左右對稱。目前應(yīng)用較廣泛的是雙曲柄搖桿機構(gòu)，中國民航大學(xué)蘇漢平設(shè)計的仿鳥撲翼飛行器應(yīng)用了雙曲柄雙搖桿機構(gòu)；沈陽理工大學(xué)郭夢輝和合肥工業(yè)大學(xué)舒寧等人都應(yīng)用雙曲柄雙搖桿機構(gòu)設(shè)計了撲翼飛行器。隨著計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的發(fā)展，越來越多的人將計算流體力學(xué)數(shù)值模擬計算應(yīng)用于撲翼飛行的流場分析。

本文作者在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，基于曲柄搖桿機構(gòu)和二級差動原理優(yōu)化設(shè)計出一種雙曲柄搖桿機構(gòu)，實現(xiàn)撲翼運動；然后采用CFD對撲翼飛行氣動流場進行分析計算，通過Fluent數(shù)值分析的方法模擬翅翼撲動引起周圍空氣流場變化，得出翅翼周圍流場的壓力、速度、流動狀態(tài)、氣動升力、推力的變化規(guī)律。

1 撲翼機構(gòu)設(shè)計與三維建模

1.1 設(shè)計要求及機構(gòu)分析

選用雙曲柄搖桿機構(gòu)作為鴿形撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)。驅(qū)動部分由兩部分組成：一是以曲柄所在的齒輪盤作為動力源建立平面四桿機構(gòu)，將齒輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為四桿機構(gòu)的擺動；二是連桿作為動力源連接旋轉(zhuǎn)連桿來改變力的作用方向，將仿生撲翼飛行器的翅膀分為一級翼、二級翼，它們之間通過一體式二級連桿連接，從而達(dá)到差動控制一、二級翅翼的目的。

采用圖解法對鴿形撲翼飛行器驅(qū)動機構(gòu)進行設(shè)計，因撲翼上下?lián)鋭舆\動需要具備急回特性，如圖1所示，曲柄沿順時針方向轉(zhuǎn)動到達(dá)位置，此時曲柄與傳動桿共線，即撲動桿到達(dá)第一個極限位置，如圖中所示位置；曲柄繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，同理當(dāng)曲柄與傳動桿再一次共線，到達(dá)第二個極限位置，如圖中所示位置；如此反復(fù)循環(huán)運動。

圖1 曲柄搖桿機構(gòu)運動示意

1.2 撲翼機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

采用上述曲柄搖桿機構(gòu)進行撲翼機構(gòu)設(shè)計，兩個曲柄搖桿機構(gòu)左右對稱布置、同步撲動，優(yōu)化設(shè)計出具有最佳傳動性能的撲翼運動機構(gòu)。圖2所示為曲柄搖桿機構(gòu)解析圖，其中：為極位夾角；為撲翼幅值。

圖2 曲柄搖桿機構(gòu)解析圖

當(dāng)點位于位置時，機架取最小值1；當(dāng)點位于位置時，由圖知：

(1)

(2)

(3)

聯(lián)立式(1)—(3)可得機架最大值為

(4)

則機架的取值范圍：

(5)

在撲動桿長度為1時，該機構(gòu)屬于I型曲柄搖桿機構(gòu)，查找資料有如下結(jié)論：

(6)

(7)

聯(lián)立式(6)、(7)得：

(8)

(9)

當(dāng)曲柄延順時針方向轉(zhuǎn)到與機架共線的兩個位置時，傳動角出現(xiàn)最小值，根據(jù)幾何關(guān)系有：

(10)

將各桿長表達(dá)式代入得：

=

(11)

在給定撲翼撲動幅值、極位夾角的情況下，可得到機架長度的取值范圍以及在此條件下對應(yīng)的最小傳動角的最大值和驅(qū)動機構(gòu)其他單位桿長，將撲翼撲動設(shè)計參數(shù)=π/6、=π/12分別代入得：=0.150 4、=1.928 6、=0.021 8、1 cm<<2.471 4 cm。

將上述數(shù)值代入公式(11)，再利用MATLAB求解上式的最優(yōu)解，得到最小傳動角與機架長度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 最小傳動角與機架長度關(guān)系曲線

根據(jù)上述分析計算，當(dāng)機架位置最佳位置為=1.26 cm時，按照函數(shù)一一對應(yīng)關(guān)系最小傳動角取得最大值=0.23π，符合最小傳動角大于許用值的要求。綜合考慮撲翼機構(gòu)總體空間大小，取搖桿=3 cm。按照圖2幾何關(guān)系，有：=1.20 cm、=3.08 cm、=3.78 cm。

1.3 撲翼機構(gòu)三維建模

撲翼機構(gòu)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和連桿機構(gòu)。在驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計中，將微型直驅(qū)電機與輸入端齒輪固連，通過減速機構(gòu)傳遞扭矩。連桿機構(gòu)根據(jù)前面分析計算結(jié)果按照合理的尺寸建立對稱的雙曲柄搖桿機構(gòu)模型，建模過程中要注意桿件和齒輪相對位置關(guān)系，這將直接影響機構(gòu)傳動的可靠性和運動的準(zhǔn)確性。整體撲翼機構(gòu)如圖4所示。

圖4 撲翼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬計算前處理

2.1 數(shù)值模型的建立

參考文獻(xiàn)[11]建立以恒定速度前飛的翅翼數(shù)值求解模型，將其縱截面簡化為如圖5所示的二維模型。圖中，弦長=0.1 m；空氣流速恒定，用表示；標(biāo)況下取空氣密度=1.28 kg/m，空氣流動速度0.2 m/s，空氣動力黏度=14.8×10m/s；翼型與來流水平方向保持恒定的仰角。

圖5 簡化的翅翼縱截面二維模型

在撲翼過程中，由于柔性和空氣流場影響，翅翼會沿弦向發(fā)生變形。撲翼飛行在一個周期內(nèi)翅翼撲動規(guī)律和翅緣變形特點為：當(dāng)翅翼從最低點開始上撲時，由于柔性和空氣阻力的作用,翅緣部位和翅根部位變形不同步，翅緣變形逐漸增大，翅翼撲動經(jīng)過水平位置時翅緣的變形達(dá)到最大，然后開始逐漸減小，翅翼撲動到達(dá)最高點時翅緣變形達(dá)到最小。翅翼下?lián)溥^程中撲翼規(guī)律和翅緣變形與翅翼上撲變化恰好相反。

2.2 計算參數(shù)的描述

在整個撲翼飛行的氣動特性研究過程中，升力和推力是最能表征氣動原理的參數(shù)，常用升力系數(shù)和推力系數(shù)作為計算參數(shù)來描述。根據(jù)-方程解得升力系數(shù)和推力系數(shù)表達(dá)式如下：

式中:、分別為撲翼升力系數(shù)、推力系數(shù)；、分別為升力、推力；為空氣密度；為翅翼弦長。

2.3 流體域邊界設(shè)置與網(wǎng)格劃分

翅翼模型需要進行流體域邊界設(shè)置，包括翅翼截面邊界、流體入口和出口的邊界條件。為模擬鳥類撲翼飛行時周圍空氣流場，應(yīng)將翅翼周圍空氣流場邊界放大到遠(yuǎn)大于翅翼模型尺寸的位置，在邊界和翅翼實體壁之間形成一個流體域，然后在該流體域上進行網(wǎng)格劃分。將翅翼模型置于如圖6所示的邊界條件流體域中，翅翼模型周圍區(qū)域流場跟隨翅翼一起運動，以獲得較好的計算效果及較高的計算精度。

圖6 邊界條件及計算區(qū)域

CFD數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度主要取決于網(wǎng)格劃分和所采用的算法。為提高計算精度和穩(wěn)定性，網(wǎng)格劃分應(yīng)符合流動區(qū)域的邊界形狀，并且容易引入邊界條件，能較好地表征流場的物理參數(shù)。本文作者選用二階三角形網(wǎng)格單元劃分，然后對流體域網(wǎng)格進行動網(wǎng)格設(shè)置，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。劃分后的網(wǎng)格如圖7所示，總網(wǎng)格數(shù)為39 447,總單元數(shù)為78 999。

圖7 流體域的網(wǎng)格劃分

3 翅翼周圍流場分析

在上述設(shè)置的撲翼參數(shù)和邊界條件的基礎(chǔ)上，將翅翼的柔性幅值設(shè)定為0.3。翅翼與周圍流場的相對動壓力云圖和相對動壓力變化曲線、湍動能云圖和速度云圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 翅翼壓力云圖及動壓力變化曲線

圖9 翅翼流場速度變化云圖及湍動能云圖

由圖8可知：翅翼上部流場流動速度加大導(dǎo)致翅翼與周圍流場產(chǎn)生相對動壓力，整個翼面所受相對動壓力為20～300 Pa，翅緣部位相對受壓較大，這也要求翅翼結(jié)構(gòu)設(shè)計時需采用柔性材料。由圖9可以看出：變化較大的翅翼流場速度集中分布在翅翼附近，翅翼撲動引起流場速度變化最大至20.8 m/s;湍動能是表征湍流強度的物理量，湍動能云圖表明由于翅翼周圍空氣流速變化較大導(dǎo)致在翅翼附近形成湍流旋渦，其湍動能最大達(dá)到15.2 J。以上分析表明撲翼飛行引起翅翼流場流動速度變化，進而導(dǎo)致空氣流動狀態(tài)由層流變?yōu)橥牧?，在翅翼附近形成巨大湍流旋渦，為撲翼飛行提供氣動力，這也是撲翼飛行氣動力的主要來源。升力系數(shù)、推力系數(shù)變化曲線如圖10所示。

圖10 翅翼升力、推力特性曲線

由圖10可知：在撲翼飛行中由翅翼撲動產(chǎn)生的氣動升力與理論撲翼運動模型的區(qū)別不大且呈一定周期性變化，翅翼上撲時升力系數(shù)逐漸增大，下?lián)鋾r升力系數(shù)減小，整個周期平均升力系數(shù)為0.48，說明撲翼產(chǎn)生的升力大于上撲時空氣阻力；翅翼撲動產(chǎn)生氣動推力也呈一定周期性，當(dāng)推力系數(shù)為負(fù)值時表現(xiàn)為阻力，平均推力系數(shù)為0.06，說明在翅翼撲動過程中產(chǎn)生的平均推力接近阻力，同時也說明該翅翼模型在空氣流場中勻速前飛。

4 結(jié)論

本文作者優(yōu)化設(shè)計了符合撲翼運動要求的曲柄搖桿機構(gòu)，運用ANSYS Workbench Fluent軟件對翅翼二維模型周圍的空氣流場進行分析計算，得出翅翼的壓力云圖、周圍空氣流場的速度云圖和湍動能云圖以及升力和推力系數(shù)在實際流場中的特性曲線。

結(jié)果表明：撲翼飛行引起翅翼流場流動速度發(fā)生變化，進而導(dǎo)致空氣流動狀態(tài)由層流變?yōu)橥牧?，在翅翼附近形成巨大湍流旋渦，為撲翼飛行提供氣動力;在撲翼飛行中由翅翼撲動產(chǎn)生的氣動升力和推力呈一定周期性變化，翅翼上撲時升力和推力逐漸增大，下?lián)鋾r升力和推力減小至負(fù)值，表現(xiàn)為水平方向和豎直方向上的空氣阻力，所以在整個運動周期中，翅翼既有升力產(chǎn)生,又有推力產(chǎn)生。