仿生扑翼飞行器传动机构的力学性能及优化研究

作     者：刘新杰 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张威

授予年度：2020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 传动机构 能量利用率 弹性装置 转矩峰值 正交实验 

摘      要：仿生扑翼飞行器通过拍打翅翼可以完成短距起飞、降落、转弯和悬停等一系列高难度动作,在此飞行过程中电机动力的传输则是通过传动机构进行转换来实现的。由此可见,传动机构为扑翼机的核心部件。本文首先以特拉华大学机械系统实验室所研制样机为原型进行了建模,对其传动机构进行了动力学理论分析。经推导得出单曲柄单摇杆机构的动力学方程,并用理想流体理论来研究翼面由压强分布决定的升力特性,分析气动力矩与惯性力矩对电机转矩峰值的影响。在此基础上加装弹性装置对扑翼机构进行优化,引入弹性项得到完整的动力学模型。然后对带弹性装置的扑翼机构进行动力学仿真,运用正交实验法将弹簧连接点位置、弹簧原长及弹簧刚度三个影响因素组合设计实验。通过加装弹簧前后实验数据的对比发现,加装弹簧不仅可以减小电机的转矩峰值和转速波动,还能降低能量损耗。研究正交表数据后,可以分析出影响电机输出性能参数的主次因素,并合理预测出更好的实验条件。最后仿照带弹性装置的扑翼机构模型搭建了尺寸比例放大的系统实验平台,对比实验结果验证了理论分析和仿真实验的正确性。实验数据表明,在真实飞行条件下弹簧刚度为影响电机转矩峰值和转速波动的主要因素。因此,引入弹性元件可有效提供电机的能量利用率,进而为仿生扑翼飞行器的生产和实践应用提供理论指导。