仿生扑翼飞行器的动力特性分析及结构优化设计

作     者：张峥 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马云辉

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：扑翼飞行器 扑翼模型 双曲柄双摇杆机构 三维建模 

摘      要：仿生扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类扑翼飞行的新型飞行器。由于具有重量轻、体积小、隐身性、可操作性好和成本低等特点，在国防和民用领域均有十分广泛的应用前景。空气动力学和仿生学研究均表明，扑翼形式对于特征尺寸相当于昆虫或者鸟类的飞行器来说具有更高的飞行效率。 本文首先对鸟类平飞时的实际扑翼运动进行了分析和概括，在原有的匀速无俯仰运动的模型基础上，考虑其缺陷并建立了其他两种改进的扑翼运动学模型，使扑翼运动更接近飞鸟翅膀扑动的真实情况。根据生物飞行的气动理论以及尺度效应，对该扑翼飞行器的运动参数和形状尺寸进行选择。通过数值模拟的方法对不同的运动模型进行气动力的计算和仿真。 通过分析现有的扑翼飞行器驱动方式，选择了对称式的双曲柄双摇杆机构与平面四连杆机构作为飞行器的驱动方式。根据确定的运动参数，分别计算出一、二级机翼中各个连杆的长度与所需的夹角并进行运动仿真。在此基础上设计了后置连杆机构来实现弦向的俯仰运动。根据空气阻力公式对驱动电机所需扭矩进行计算，并根据计算结果选择符合要求的电机。 利用三维造型软件对扑翼飞行器的结构进行设计和建模。根据确定的形状尺寸和连杆杆长数据，分别对机翼、尾翼和机身进行结构设计，并对其进行干涉检查以及运动仿真。分析运动部件中受力较大的齿轮并对其进行强度校核，同时对整体模型进行重心分析，使该扑翼飞行器重心位于左右对称面上。 最后进行扑翼飞行器的实际加工、组装以及测试。选择亚克力板和ABS板作为扑翼飞行器零部件的材料，采用激光切割的方式进行加工。然后进行装配、布线及蒙皮。完成所有的组装后进行实际受力情况测试，得到该扑翼飞行器的实际受力情况。