基于仿生翼的潜器综合减摇技术研究

为了满足日益增高的潜器稳定性的要求,探讨并应用新型仿生翼来替代舵控制潜器近水面的横摇、纵摇运动。对近水面海浪干扰力、力矩进行了数值计算,以某一小型潜器作为研究对象,建立潜器六自由度运动模型,并考虑了仿真的需要对模型进行了合理的简化。针对系统特性设计模糊自适应PID控制器,并对潜器近水面运动进行仿真,仿真结果显示该种姿态控制设计方法能很好解决潜器近水面姿态控制问题。

基于波状地面效应的自主运动仿生翼力学特性研究

自然界的生物可以利用地面效应获得的优良运动性能,受此启发,本文运用数值模拟研究了仿生翼在正弦波状地面下的自主运动。通过分析波状地面波长、翼型初始高度和俯仰周期对仿生翼性能的影响,深入分析了自主运动翼的位移、受力和绕流情况,揭示了波状地面效应下自主仿生翼的非定常涡度动力学。研究结果表明,当地面波长与仿生翼长度相同时,近地面的高频俯仰周期并不能使仿生翼获得最大的位移,适当的提高初始高度与俯仰周期能使仿生翼获得最佳升阻比。当地面波长增加为仿生翼长度的2倍时,大俯仰周期能使仿生翼获得最佳升阻比。

仿生扑翼结构优化设计及动力学仿真分析

针对目前飞行器结构复杂、效率低下及动作单一等问题,设计一种新型仿生扑翼飞行机构,仅通过单驱动装置即可实现机构扑翼的扑动、折叠、扭转等运动。依据生物尺度率设计扑翼机构的结构尺寸并对机构参数进行优化;通过SolidWorks构建仿生三维模型并基于ANSYS Workbench对扑翼机构进行有限元分析,得到扑翼齿轮组、曲柄、主翼杆等主要部件的总形变、应力、等效应变及主、副翼动力学运动参数,为仿生样机研制提供理论支持。

应用于水陆两栖勘测及紧急救援的仿生机械龟

针对现有水下航行器能耗高、噪声大、续航能力一般等问题,通过探索水下仿生扑翼的推进机理,结合流体力学运动的知识,利用SolidWorks仿造龟的外形设计了仿生机械龟。该机械龟装载浮力与重力感应系统,通过PID算法控制机器在水中的平衡,使用Arduino作为主控制板,利用传感器、摄像系统与数据传输系统,进行实时监测并传输数据,龟壳中设计了贮藏空间,满足勘测和物资救援任务。实验结果表明,所设计的水陆两栖仿生机械龟优化了形态和运行控制系统,对比美国耶鲁大学研制出的仿乌龟形水陆两栖机器人ART,能够适应多样化地形高效的运动,具有高灵活性和机动性,能完成对水中温度、压强、地形进行实时监测并将数据传输回终端。

一种仿生微扑翼机构的动力学分析和模拟

通过尺度律分析初步确定仿生翼的基本参数。运用计算流体动力学(CFD)方法,对仿生翼进行数值模拟,计算出气动力特性和使飞行器能够在空中悬停的拍打频率。基于Pro/E的微扑翼机构系统动力学分析,研究了运动副的约束反力,为选择和设计轴承,以及计算零件的强度等提供了依据。

基于神经网络与CFD相结合的扑翼推进性能优化

为了提升现有水下扑翼式机器人的推进性能,采用田口实验、神经网络和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)相结合的方法,系统研究展弦比、升沉幅值、俯仰幅值和扑动频率变化对三维NACA 0012扑翼推进性能的影响。首先采用田口实验确定CFD仿真的参数组合,接着进行CFD仿真并为神经网络优化提供数据集,然后训练神经网络并用训练好的神经网络模型对CFD结果进行预测和验证,最后分析优化后的参数组合获得最优推进性能的机理。研究结果表明:展弦比、升沉幅值、俯仰幅值和扑动频率变化能显著影响扑翼的推进性能,其中扑动频率的影响最大,展弦比的影响最小,神经网络优化后的扑翼最大推进效率可达55.43%。进一步对不同参数组合扑翼周围流场结构分析发现,最优参数组合扑翼表面可以形成稳定的涡流,且涡流在扑动过程中可以长时间附着在扑翼表面,这是最优参数组合扑翼具有更好推进性能的内在原因。

甲虫后翅及其FWMAV可折叠翼仿生研究

对将甲虫后翅的研究应用于FWMAV仿生可折叠翼研制的前沿交叉领域进行了综合评述,并对其未来研究进行了展望。首先分析了甲虫后翅结构及其材料力学性能;其次讨论了后翅结构对其静力学和动力学性能的影响;然后概括了基于甲虫后翅建立的仿生翼及其力学特性研究现状;最后对仿生可折叠翼力学性能的研究做出了总结并对其重点研究方向给出建议。综述表明:甲虫后翅的不同单元具有各异的力学性能,其不同结构可影响静力学和动力学特性;依据后翅制造的可折叠柔性翼具有明显的尺寸优势,既有助于双翼产生高升力,又可抵抗部分耦合冲击以提高飞行稳定性。未来以甲虫后翅为仿生原型研制适用于FWMAV的可折叠柔性翼,应着眼于柔性翼骨架结构和机翼翼膜材料属性的各向异性,以期制造出可折叠、易扭转、高弹性的微飞行器机翼。

低雷诺数下展弦比对仿生拍动翼推进性能的影响研究

研究自然界中生物的非定常运动对于人类开发新概念飞行器和水下航行器具有重要指导意义。本文采用浸入边界格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),发展了一套三维IB-LBM并行求解器。以NACA0012仿生拍动翼为对象,在中国天河2号超级计算机上对不同展弦比在低雷诺数条件下对其推进性能影响进行大规模数值。捕捉到了NACA0012拍动翼尾迹区中的精细涡系结构及其演化过程,给出了NACA0012翼拍动过程中产生的非定常力的变化趋势。研究结果表明:随着展弦比增加NACA0012拍动翼尾迹区中涡系结构二维效应越发明显,而其推进性能则随着展弦比增大先增加后减小。因此在设计仿生扑动翼时必须仔细选择仿生翼的展弦比。

仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究

模仿昆虫和小鸟飞行的扑翼飞行机器人将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,与固定翼和旋翼完全不同,因此研究只能从生物仿生开始。生物飞行的极端复杂性使得进行完整和精确的扑翼飞行分析非常复杂,因此本文在仿生学进展基础上,通过一些合适的假设和简化,建立了仿生翅运动学和空气动力学模型,并以此为基础研制了多种翅型。研制了气动力测量实验平台,对各种翅型进行了实验研究。实验结果表明,研制的翅型都能产生一定的升力,其中柔性翅具有较好的运动性能和气动性能,并且拍动频率和拍动幅度对升力有较大影响。

电致伸缩器的研制及其在仿生扑翼飞行器中的应用(英文)

提出了一种源于电磁铁理论和应用的电致伸缩器的新颖构思,简述了电致伸缩器采用引力与弹力互联以形变产生伸缩效应、将电量转化为机械量的工作原理,建立了电致伸缩器的特性参数关系,进行了电致伸缩器的实验研究.研究表明,这种电致伸缩器能获得较好的驱动力和较大的直线位移且自重较小,是一种具有较高应用价值的直线驱动器,尤其适用于生物器件的驱动.将电致伸缩器应用于仿生扑翼飞行器,通过控制电致伸缩器的“缩”和“伸”,能实现翼在一定角度范围内的上下拍动.该驱动方式能减小驱动器的启动功率和整个系统的冲击载荷,通过改变驱动两翼的电致伸缩器的电压可使两翼拍动幅值不同从而方便地实现不同的飞行动作.

几何参数对三维仿生运动翼推进性能的影响研究

为了研究几何参数对三维仿生运动翼推进性能的影响,基于IB-LBM算法开发了可在天河2号超级计算机上运行的大规模并行求解器。实现过程包括用浸入边界法在翼型表面构造力函数,并通过插值函数将翼型表面的力函数分散到周围流体网格点,然后通过格子波尔兹曼方法进行流体计算,更新速度场。以椭球翼、平板翼、NACA0012翼、长方体翼为研究对象,系统研究了仿生翼的几何形状对推力系数与涡系结构的影响。研究表明:椭球翼表面的涡系结构饱满且距离翼型表面最近,其推进性能最好;NACA0012翼和平板翼的涡系结构类似,推进性能相近;长方体翼由于钝体效应导致涡系结构细小且距离翼型表面较远,其推进性能最差。研究结果表明,在仿生飞行器设计中,应避免采用类似于长方体外形的钝体仿生翼,椭球翼推进性能最佳,但是由于椭球型质量分布导致对仿生飞行器连接部位质量要求较高,可采用推进性能相近的平板翼。

仿生缝翼的增升作用

以长耳鸮的翅膀为模本构建仿生翼型,并在此基础上构建没有凹口的仿生缝翼及仿生多段翼型。利用快速成型系统制作相应的准二维试验模型,并在低湍流度的风洞内进行试验,结果显示:在攻角小于5°时,仿生翼型的升力系数更大,而在攻角大于5°时,具有仿生缝翼的仿生多段翼型的升力系数更优。同时,仿生多段翼型中仿生缝翼能提高失速角和最大升力系数,而且还能延迟升力系数曲线斜率的下降,从而在一定攻角范围内阻止前缘分离的发生。在低雷诺数下的绕翼烟线显示了仿生翼型的前缘分离,但在相同工况下的仿生多段翼型的流场中没有出现前缘分离。这个优点也许可以被用在未来的前缘缝翼的设计中。

仿生扑翼飞行机器人柔性翅试验研究及其理论解释

以柔性翅为研究对象,在自行研制的气动力测量试验平台上进行升力试验研究,旨在为柔性翅的理论研究提供依据。试验结果表明,柔性翅能产生较之刚性翅更大的升力,说明柔性翅将更适合仿生飞行。针对翅变形对昆虫飞行高升力有贡献的试验结果,给出了一种基于柔性楔形效应的升力机制的理论解释。

仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究现状及展望

随着仿生扑翼飞行器的微型化,当扑翼飞行器达到昆虫量级的时候,任何复杂的运动系统都将面临难以实现的问题,翅翼的驱动方式也将面临新的挑战。本文从仿生飞行的历史与现状出发,论述了国内、外各类仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究状况。基于将昆翅视为柔性翅的观点,提出了仿生扑翼飞行器未来的研究前景:翅翼在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的发展趋势之一。

仿生扑翼UUV推进机构设计及运动仿真

针对仿生扑翼UUV所使用的推进机构进行设计研究,在对海龟前肢运动模式分析的基础上,设计了一套二自由度仿生扑翼推进机构,该机构由两个电机分别驱动扑翼模型上下拍水及绕翼轴自身翻转,两个电机转动相互结合可以近似实现海龟前肢扑翼运动模式。对所设计推进机构进行三维建模及虚拟装配,并对其进行了运动仿真,给出了两种驱动模式下扑翼运动过程的姿态及相应的角速度和角加速度。

微型仿生扑翼飞行器的尺度效应分析

微型仿生扑翼飞行器是一种新概念的微型飞行器。但它不是对传统飞行器的简单几何缩小,当其特征尺度缩小到一定尺度时,系统内各种因素的相对影响将产生质的变化。针对微型仿生扑翼飞行器的机械扑翼系统,包括微驱动器、仿生翅、运动系统和动力源等,本文进行了尺度效应分析。分析结果表明,当尺寸减小时,仿生飞行更容易实现:通过共振能实现高频运动,微静电、电磁和压电驱动器都能满足扑翼系统功率需求。这为设计和研制微型仿生扑翼飞行器提供了理论依据。

多段式仿生扑翼飞行器动力学建模与气动特性分析

为了实现鸟类飞行过程中翅膀的折弯效果,以平面四杆机构为基础,设计一套能实现主动折弯并具有急回特性的扑动-折弯运动模型。采用ADAMS对其进行动力学仿真分析,结果显示该模型具有优良的动力学性能;采用ADAMS与XFlow联合仿真方法对其进行气动特性分析,结果显示该模型具有优良的气动特性;同时,得到翅膀的扑动速度对扑翼的气动特性起着至关重要作用的结论。

仿生扑翼UUV的研究进展及关键技术

针对当前无人水下航行器低速下近目标作业能力较差的问题,人们开始了对仿生扑翼推进方式的探索研究,仿生扑翼UUV应运而生。简要介绍了仿生扑翼UUV的概念、特点及其应用,综述了仿生扑翼UUV的国内外研究成果及现状。在此基础上对仿生扑翼UUV的研制所面临的一些关键技术进行了讨论,并结合目前的研究情况,展望了仿生扑翼UUV的未来发展趋势。

仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考

在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上,提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点;有关非定常微分方程问题,提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点;有关翅变形问题,提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。

仿生扑翼飞行器风洞实验研究进展

仿生扑翼飞行器的设计灵感来源于自然界中的鸟类、昆虫和蝙蝠的飞行模式,通过机翼的主动运动来产生飞行所需要的升力和推力.仿生扑翼飞行器具有隐蔽性好、机动性强等优点,成为近年来国内外飞行器研究的重点.但是仿生扑翼飞行器研究涉及到低雷诺数、非定常空气动力学等问题,与常规固定翼飞行器有很大的不同.仿生扑翼飞行器的研究方法一般分三种:气动计算、风洞实验和外场试飞.气动计算方面,非定常气动设计优化理论与方法目前仍存在不足;外场试飞的方法无法精确测量出飞行器复杂的气动力,难以对飞行器进行定量分析研究;风洞实验由于可以模拟飞行时的真实情况,获得的数据较为真实可靠,且可以定量分析研究,成为目前研究仿生扑翼飞行器非常有效的方法.国内外研究人员利用风洞进行了大量针对仿生扑翼飞行器的实验研究.在介绍了风洞组成和分类的基础上,详细阐述了仿鸟和仿昆虫扑翼飞行器风洞实验的研究现状,最后对仿生扑翼飞行器风洞实验未来可能的研究方向给出了建议.