基于结构与气动力分析的仿昆虫柔性翼设计及优化

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仿生学机理的研究进展和微电子技术的日趋完善促进了学者们对仿昆虫微型扑翼飞行器的研究热情。仿昆虫微型扑翼飞行器比起传统的固定翼和旋翼飞行器,可以设计具有更小的结构尺寸、更好的飞行机动性和更好的环境适应性,在军事及民用领域越来越受重视。作为产生升力和推力的核心部分,仿昆虫柔性翼的设计在仿昆虫微扑翼飞行器研制过程中占有重要地位。  本文以仿生学研究为基础,通过提取不同昆虫翅翼的主要结构特征,建立了有限元静力学和动力学分析模型,比较了不同昆虫翅翼结构的共同特征与差异性。以黄蜂翅翼为仿生对象,结合流固耦合分析及计算流体力学方法,分析了昆虫翅翼结构的几何特性和柔性特性对气动力的影响,在此基础上提出了仿昆虫微扑翼飞行器的柔性翼设计及优化方法。  本文主要研究内容包括以下几个部分:  1.在昆虫飞行仿生学原理研究的基础上,提取出昆虫翅翼的主要结构特征,分别建立了黄蜂、蝴蝶、家蝇翅翼结构的有限元模型,通过有限元静力学分析和动力学分析比较不同翅翼柔性特性和模态特性的共同点和差异性;  2.将黄蜂翅翼几何特性(展弦比、扭转中心)与翅翼气动力模型建立联系,通过计算对比不同几何特性下的气动模型的气动特性,研究几何特性对翅翼气动力的影响;  3.分析黄蜂翅翼柔性特性对翅翼气动力模型(轨迹、翼型刚柔性)的改变,通过空气动力学数值模拟方法研究这些改变对翅翼气动力特性的影响;  4.以黄蜂翅翼结构为仿生对象,以翅翼的柔性特性为优化目标,提出一种仿昆虫微扑翼飞行器的柔性翼优化设计方法。
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