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《哈尔滨工业大学》 2017年
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两段式扑翼飞行器结构设计与仿真分析

姜洪利  
【摘要】:仿生扑翼飞行器集起飞、加速、悬停于一体,体积小且飞行灵活,使其在军事和民用领域有很大的应用前景。特别是对士兵不能进入以及侦察卫星无法识别的区域,扑翼飞行器由于其仿生行和灵活性能够发挥更大的作用。目前国内外对扑翼样机的研制多为模仿小型鸟类的单段式扑翼结构,鲜有对大型鸟类的模仿。本课题以海鸥为仿生对象,研制了一种两段式扑翼结构的样机,其翅膀能够实现“扑动-折曲-扭转”的复杂运动,并对其进行了气动力估算、仿生方案及结构设计、扑翼机构运动学及动力学分析、仿真分析及样机实验研究和飞行试验,具体内容包括:根据鸟类飞行机理确定了仿生目标需求,基于尺度律公式确定了仿生尺寸参数,估算了扑翼的气动力。剖析了鸟类翅膀结构特点,分析鸟翼升力与推力机理,由大型鸟类翅膀运动规律,确定了仿生设计目标,基于尺度律公式,建立各飞行参数之间的关系,实现了对所要研制的飞行器的各飞行参数的初步估算,并建立了扑翼模型,应用条带理论实现了对扑翼的气动力的估算。确定了样机实现方案,对扑翼机构进行了运动学及动力学分析,进行了样机仿生结构设计,并对样机进行了强度分析。基于仿生目标需求进行了扑翼飞行器的实现方案设计,重点对扑动方案进行了设计,基于矢量方法建立了扑翼机构的运动学方程,分析了扑翼机构的角位移、角速度、角加速度等运动学参数,基于第二类拉格朗日公式建立了扑翼机构进行动力学方程。基于用三维设计软件SolidWorks,对样机各部分具体结构进行了仿生设计,建立了扑翼飞行器的三维模型,基于ANSYS对样机中容易产生变形破坏的部件进行了强度分析,验证了样机结构的可靠性。对整体样机进行了仿真分析,制作了样机,进行了实验研究及飞行试验。基于ADAMS导入样机物理模型、施加约束,对扑翼样机了运动学仿真,验证了结构的合理性以及仿生功能实现的可能性;并定义作用在扑翼上的力,进行了动力学仿真,得到了机构各铰接点处的受力情况;基于上述工作,选取了样机中所用通信设备,确定扑翼机构各零件的加工工艺,制作了初步样机,并对样机进行了实验研究验证了样机的仿生功能实现,进行了室外飞行试验,初步测试了样机的气动性能。本课题选取大型鸟类为仿生对象,进行了模仿大型鸟类飞行的两段式扑翼飞行器的设计,并从飞行机理、气动力估算、结构设计、仿真分析、样机实验等方面开展研究,对进一步的升力实验研究及飞行控制研究有重要的理论和实际意义。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V276

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