仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析.pdf

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1、第30卷第15期农业工程学报、，0lI3ONo．152014年8月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringAug．201433仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析赵彦如，王东升，佟金2，孙霁宇2，张金。(1．河南理工大学机械与动力工程学院，焦作454000；2．吉林大学生物与农业工程学院，长春130022：3．上海联合汽车电子有限公司，上海200051)摘要：蜻蜒飞行能力高超，其膜翅具有超强抵御负载能力，为了理解和向生物系统学习进而进行技术创新，该文以蜻蜒膜翅为研究对象，以研究蜻蜒膜翅仿生模型的静力学特性为目标，采用ANSYS

2、有限元模拟软件对蜻蜒膜翅有限元模型进行分析，在模型中采用二节点管单元Pipe20模拟翅脉，四节点壳单元Shell43模拟翅膜。对蜻蜒膜翅有限元模型进行结构静力学分析，考察了模型在均布载荷、弯矩、扭矩作用下的变形和应力、应变情况。结果显示，蜻蜒膜翅模型在均布载荷、弯矩、扭矩作用下只发生了整体变形，且变形较小，说明蜻蜒膜翅在主翅脉与支翅脉的交界处变形一致，具有优越的整体性能。通过仿蜻蜒膜翅结构模型的建立以及对蜻蜒膜翅结构和功能相关性的分析，为设计具有较好承载能力的薄膜材料提供了新的思路。关键词：仿生学；有限元法；变形；蜻蜓膜翅；静力分析；均布载荷；弯矩；扭矩doi：10．39698．issn．1

3、002—6819．2014．15．005’中图分类号：Q811文献标志码：A文章编号：1002—6819(2014)～15—0033—06赵彦如，王东升，佟金，等．仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析[J]．农业工程学报，2014，30(15)：33～3B_ZhaoYanru，WangDongsheng，TongJin，eta1．Staticsanalysisofdragonflywingbasedonfiniteelementmodel[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSA

4、E)，2014，30(15)：33—38．(inChinesewithEnglishabs~act)集中在对其空气动力学方面的研究，包括运动参数0引言的测量、运动机理的分析、具体构造的研究等【J。1。蜻蜒具有高超的飞行能力，不但能向前飞行，而对蜻蜒膜翅自身结构的优越性、稳定性和合理性还能向后和左右两侧飞行，甚至是短距离的垂直飞方面的具体研究还不够深入。行。蜻蜓多样的飞行技巧和飞行方式主要来源于其有限元法随着计算机科学和技术的快速发展，翅翼的巧妙结构，而且经过亿万年的生物演化，为已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要了更好地适应其生存环境，蜻蜒膜翅在结构、功能、组成部分。ANSYS是一个功

5、能强大的用于设计分材料和性能方面都达到了最优化_JJ。蜻蜒膜翅质量析及优化的大型通用有限元分析软件，功能包括从简约为自身总质量的1％～2％，但在飞行中却表现出单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析[11-15J。本超强的稳定性和承载能力【4J。蜻蜒膜翅主要由翅文采用ANSYS有限元模拟软件对蜻蜒膜翅进行分膜、对翅膜起支撑和连接作用的纵脉、横脉以及防析，其中二节点管单元Pipe20是一个同时具备弯曲颤振的翅痣组成，翅脉纵横交错构成既质轻又性能优和扭转功能的单元，其描述数据包括：2个节点、良的类桁架结构，在力学性能中发挥关键作用【6J。管的外径、壁厚以及材料特性；四节点壳单元本文试图探索蜻蜒膜翅

6、的结构及其性能或功能相Shell43适于模拟线性、翘曲、厚度适中的壳体结构，关性，建立具有较好承载能力的仿蜻蜒膜翅结构模可通过节点、厚度以及材料特性定义。蜻蜒膜翅主型，进而用于指导薄膜材料的设计和制造，为薄膜要由翅脉和翅膜构成，翅脉具中空结构，翅脉腔近材料的研究提供新的思路和方法。似圆形，翅膜被翅脉框架环绕，厚约2pm，翅脉和目前国内外学者对蜻蜓膜翅的研究工作主要翅膜实际特性与二节点管单元Pipe20和四节点壳单元Shell43相近，因此在模型中采用二节点管单元Pipe20模拟翅脉，四节点壳单元Shell43模拟翅收稿日期：2013．12—25修订日期：2014—06．03膜I1J。蜻蜓在空

7、中进行振翼式飞行，其膜翅对静基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075185，30600131)；第八批河南省重点学科资助；河南省教育厅自然科学研究计划项目力载荷和动力载荷都有较好的承受能力，本文仅对(201113410002)；河南理工大学博士基金资助项目(B2008．74)蜻蜓膜翅有限元模型进行结构静力学分析，考察模作者简介：赵彦如(1975一)，女，河北饶阳人，副教授，博士，主要型在均布载荷、弯矩和