昆虫翼拍动中受载变形的粘弹性本构模型

昆虫翼拍动受载时发生被动变形,被看作为有助于改善飞行性能的机制之一.决定这种被动变形大小的一个关键因素是昆虫翼的材料本构关系,至今缺乏研究.基于蜻蜓翼(离体)的应力松弛实验和模型翼拍动时受载变形的有限元数值分析,揭示了粘弹性本构关系是昆虫翼材料性能的合理描述,并研究了粘弹性参数对被动变形的影响.

模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性

基于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的数值解，研究了一模型昆虫翼在小雷诺数（Ｒｅ＝１００）下作非定常运动时的气动力特性，这些运动包括：翼启动后的常速转动，快速加、减速转动，常速转动中快速上仰（模拟昆虫翼的上挥或下拍、翻转等运动）有如下结果：在小雷诺数下，模型昆虫翼以大攻角（α＝３５°）作常速转动运动时，由于失速涡不脱落，可产生较大的升为系数。其机理是：翼转动时，翼尖附近（该处线速度大）上翼面压强比翼根附近（该处线速度小）的小得多，因而存在展向压强梯度，同时存在着沿展向的离心力，此展向压强梯度和离心力导致的展向流动在失速涡的轴向方向，其可避免失速涡脱落。模型昆虫翼在快速加、减速转动和快速上仰运动中，虽然雷诺数小，但由于在短时间内产生了大涡量，也可产生十分大的气动力，例如在快速上仰运动中，升力系数可大于１０。

昆虫翼粘弹性特性及其本构模型

通过蜻蜓翅脉的应力松弛实验,验证了昆虫翼的粘弹性特性.并且通过数值拟合,发现可以用标准线性固体模型对其进行描述.通过理论推导,证明昆虫翼粘弹性特性对于昆虫实际高频飞行中提升翼刚度、控制变形幅度、稳定飞行起到很关键的作用.

基于PD控制的仿昆虫扑翼样机研制

仿昆虫微型扑翼飞行器(FW-MAN)可以模仿昆虫悬停、垂直起飞以及侧飞等飞行姿态,从而适应复杂多障碍环境,具有广阔的应用前景。成功设计研制了一款重23.8g,翼展18cm,扑动幅值180°,扑动频率可达22Hz的可垂直起飞的仿昆虫微型扑翼飞行器。采用曲柄摇杆与滑轮的组合机构作为样机扑动机构以解决原有样机扑动方案存在高摩擦及结构复杂等问题,样机翅翼设计为具有扭转角度的柔性翅翼从而使样机具有更高的气动效率。考虑到现有的姿态调节机制存在增加机构复杂度问题,基于翅翼扭转的姿态调节机制,设计了相应的控制调节机构,并搭建了样机气动力测量平台和姿态调节平台。气动升力与姿态力矩测量结果表明,样机翅翼可提供足够升力,姿态调节机制具有可行性。在此基础上,选取PD(Proportional Differential)控制律作为样机控制方式,为解决参数调定耗时及直接试飞样机不易观察控制效果问题,基于姿态调节平台获取了初始控制参数,然后对样机进行了多次试飞实验,并多次调定参数,最终实现了样机稳定垂直起飞。