多自由度扑翼微型飞行器设计研究学位论文

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1、多自由度扑翼微型飞行器设计研究学位论文南京航空航天大学博士学位论文多自由度扑翼微型飞行器设计研究姓名:朱保利申请学位级别:博士专业:飞行器设计指导教师:昂海松20071201南京航空航天大学博士学位论文摘要微型飞行器(MAV,MicroAirVehicle)因在军事和民用领域具有十分广泛的应用前景而成为国内外研究的热点。扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行具有其独特的优点,因而,微型扑翼飞行器必将在该研究领域占有重要地位。由于扑翼是新型的飞行器形式,扑翼的研究对航空技术的发展也有重要意义。本文针对多自由度扑翼微型飞行器的相关设计问题进行了研究。主要研究内容包括:首先,从昆虫和鸟类翅膀构造出发,分析两类飞

2、行生物的飞行方式、飞行原理和翅膀的扑动模式为扑翼微型飞行器设计提供理论和仿生学依据。其次,以六杆七副传动机构为基础,归纳出其构造特性及设计约束,利用运动链再生变换原理,给出了新型六杆七副扑动机构。可以为扑翼微型飞行器的设计提供重要的参考。以昆虫翅膀运动机理为基础,提出了一种复合3种运动的多自由度仿生扑翼机构。由于能使翼尖按8字形或香蕉形运动及机翼扭转,使扑翼运动更符合昆虫运动形态。为了实现生物运动轨迹,建立了机构参数的优化模型,其扑动规律能更逼真地模拟昆虫翼的扑动形态。然后,针对扑翼驱动系统运转时,由于惯性和气动阻力矩的变化将引起系统速度的周期性波动,从而影响驱动效率和气动性能,为此,基于拉格

3、朗日方程,对一种常用的扑翼机构,建立了动力学方程,并求解其真实运动规律。结果表明,扑翼传动机构速度波动的主要影响因素是扑翼;增设飞轮可以使系统运行平稳,进而提高驱动效率、改善气动性能;增设扭簧可使下扑速度提高,上扑速度降低,有利于进一步提高扑动升力。接着,针对具有上下扑动、前后划动和俯仰运动的扑翼流场进行了数值计算,分析了各种运动参数对复合运动扑翼气动特性的影响。具有多自由度复合运动的扑翼能够产生较大的升力和推力;对升力和推力影响最大的运动参数是上下扑动幅度和扑动频率,其次为前后划动幅度和俯仰运动平均角,影响较小的是俯仰运动的幅度,而增大俯仰运动平均角,可显著增大升力,但会减小推力。最后,在低

4、速风洞中进行了多自由度扑翼微型飞行器的吹风试验,实i多自由度扑翼微型飞行器设计研究测了扑翼机的升力、阻力随扑动频率、迎角和来流速度等参数的变化情况,探索了扑翼微型飞行器空气动力特性。关键词:微型飞行器,多自由度,扑翼机构,参数优化,速度波动,仿真,数值模拟,风洞试验。ii南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTBecauseMAVMicroAirVehiclehasanextremelywidespreadapplicationprospectinthemilitaryandthecivilfields,itbecomesahotresearchspotathomeandabroad.Co

5、mparedtothefixed-wingandtherotary-wingMAV,flapping-wingMAVhassuperiority,flapping-wingMAVwillcertainlyoccupyimportantpositioninthisresearchfieldandhavegreatsignificancetodevelopaerialtechnologyThispaperstudiessomerelateddesignquestionsaboutflapping-wingMAV.themainworkisasfollows:Firstly,embarkingfro

6、mthestructureofinsectandbirdwing,thispaperanalyzedtheflightmode,theflighttheoryandtheflapping-wingmotionpatternoftwokindofflightsbiology.Thebasisoftheoryandbionicsareprovidedfortheflapping-wingMAV’sdesignSecondly,thestructuralpropertiesandthedesignconstraintofflapping-wingmechanismareinducedaccordin

7、gtothemechanismincludingsixlinkssevenkinematicpairs.Applyingkinematicchaintransformtheory,thenewpatternflapping-wingmechanismsareevolved.Thisprovidestheimportantreferenceforflapping-wingMAV’sdesign.Ba