收藏本站
《中国科学院研究生院》 2007年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

昆虫翼柔性变形的力学效应研究

鲍麟  
【摘要】: 在自然界中,昆虫的平均尺度小(相应的Re数低),但它们通过在空气中快速拍翼的方式能够实现高机动性、高稳定性、低能耗的飞行,依据传统空气动力学理论无法解释这种现象,所以研究昆虫飞行的机理及其在仿生中的应用,受到了越来越多的关注。Thomas Mueller曾预言,昆虫主要依靠两种方式——拍翼方式和柔性变形效应——来解决低Re数带来的气动局限性。关于拍翼方式,人们利用生物活体测量、智能模型实验、数值计算和理论模化等多种手段研究了昆虫在悬停和前飞中的非定常高升力、推力以及飞行所需的能耗,已经取得了长足进展。而关于柔性变形效应,人们关心的是能否实现气动力增益、节能或者增强飞行稳定性,这涉及到昆虫翼材料的本构关系及其性能参数、动态变形引起的气动响应、结构动力学与流体力学的耦合等问题。目前关于这些议题,只有少量的工作,或存在争议,或没有见到相关论文发表。 为此,本文主要开展如下三方面工作: 一、率先建立了蜻蜓翼乃至其它昆虫翼材料的粘弹性本构关系,即粘弹性理论中的标准线性固体模型。首先,利用实验测量的蜻蜓翼(离体)应力松弛曲线,发现该生物材料具有明显的粘弹性特性,经过分析,发现其本构关系符合粘弹性理论中的标准线性固体模型。其次,基于有限元分析,将该本构模型应用于求解蜻蜓模型翼往复拍动时,在周期性惯性力作用下引起的动态变形响应,并与弹性材料相对比。结果表明,弹性本构模型产生的变形幅值过大,引发显著的高次谐振,与实际情况不符。而粘弹性模型因受到粘性的阻尼作用,高次谐振影响甚微,能够较迅速地趋于稳态周期性变化,与实际观测相符,因此确认了粘弹性本构模型是昆虫翼材料属性的合理描述。 二、基于实测的翼面动态变形数据,对简化柔性翼拍动运动做了非定常Navier-Stokes方程数值模拟,揭示了动态变形区别于静态变形,能够产生显著的气动力响应。首先,对构成拍动过程的两种基元运动(翼型加速平动和绕定轴变速转动)做了数值模拟,揭示了翼动态变形的加速率大小是决定瞬时气动响应大小的关键因素,这也是一种非定常效应,昆虫以此克服低Re数导致的空气动力限制。其次,对完整的周期性拍动运动作了数值模拟,结果表明,动态变形同样显著地影响了瞬时气动响应,而且提高了时均升力和推力。 三、由于昆虫翼在拍动时,同时受到惯性力和气动力的作用而发生变形,是一个复杂的流-固耦合过程,本文利用简化的非定常气动力估算方法、简化的昆虫翼结构模型和简化的拍动方式,对该问题的耦合求解途径做了初次探索。首先,在比较了昆虫翼拍动中受到的惯性力和气动力大小的基础上,阐明了耦合求解蜻蜓翼变形过程的必要性。其次,利用有限元结构分析和非定常气动力估算公式,提出一个迭代求解该耦合问题的简化方案,并求解了粘弹性蜻蜓翼绕定轴往复拍动时,在惯性力和气动力双重作用下的变形响应过程,与仅有惯性力作用的情况相比,变形的幅度和相位均发生了明显改变;而且,该耦合过程同时表明,变形很快趋于稳态周期性。再次,简要分析了粘弹性变形所带来的能耗变化。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O345;O242.1

手机知网App
【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王思莹;柔性体与流体耦合运动的数值模拟和实验研究[D];中国科学技术大学;2010年
2 刘晓白;仿海龟柔性水翼推进技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王拓道;特种弯曲材料试验机设计及鱼体材料粘弹性性质测量[D];中国科学技术大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 宋德强,王浩,曾理江,殷纯永;投影梳状条纹插值法测量蜻蜓的翅膀变形[J];中国激光;2001年05期
2 童秉纲,陆夕云;关于飞行和游动的生物力学研究[J];力学进展;2004年01期
3 崔尔杰;生物运动仿生力学与智能微型飞行器[J];力学与实践;2004年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 梁建国,湛华;挑梁根部设钢筋混凝土柱时设计计算方法[J];四川建筑科学研究;2001年04期
2 李扬,高日,晏景通;自重对索网结构找形的影响[J];四川建筑科学研究;2003年02期
3 付志前;单向土工格栅加筋土的流变模型[J];四川建筑科学研究;2004年02期
4 段凯,杨新华,杨文兵;用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力[J];四川建筑科学研究;2005年03期
5 马杰,侯景军,何英明;昆明某大厦纠偏的有限元分析[J];四川建筑科学研究;2005年04期
6 薛松涛;张茂雨;谢丽宇;陈镕;王远功;;在地震波作用下地下连续墙的动力响应[J];四川建筑科学研究;2005年06期
7 黄怡;王元清;石永久;;框架—支撑钢结构抗震性能的有限元分析[J];四川建筑科学研究;2005年06期
8 陈辉;袁海庆;李盛;刘文龙;高翔;;温度作用对钢筒仓结构影响的有限元分析[J];四川建筑科学研究;2006年06期
9 左立;曾祥勇;;西部红层软岩地区某桥梁扩大基础有限元分析[J];四川建筑科学研究;2009年06期
10 张俊峰;王利娟;郝际平;李天;;几何非线性新梁柱单元及结构程序设计[J];四川建筑科学研究;2011年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李辉;孙利平;雷龙;;板簧支架动态外载的计算和疲劳分析[A];第八届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集(下)[C];2011年
2 胡明朗;魏瑞轩;周炜;崔晓峰;;微型仿昆扑翼飞行器控制Ⅰ:操控机制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 欧阳玉平;洪添胜;文韬;孙同彪;;基于ANSYS的太阳能自动跟踪机构仿真及实验分析[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
4 鲍麟;童秉纲;;模型昆虫翼拍动运动中动态弦向弯曲变形效应研究[A];祝贺郑哲敏先生八十华诞应用力学报告会——应用力学进展论文集[C];2004年
5 谢素明;李晓峰;兆文忠;李娅娜;;CAE建模与工程验证[A];首届中国CAE工程分析技术年会暨2005全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2005年
6 龚友;王宪增;沈礼庆;;厢式半挂车有限元分析[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
7 唐志平;胥建龙;;离散元与壳体有限元结合的多尺度方法及其应用[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
8 陕小平;刘广华;邹连阳;李一心;谢宏峰;张红军;;ANSYS在顶驱减速箱设计中的应用[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
9 谢长川;徐焱;杨超;;几何非线性气动弹性及其在我国的研究现状[A];第十届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2007年
10 王成龙;周震华;;汽车前悬架总成的耐久性仿真研究[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张琛;光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 曹宇;利用遗传算法对声障板优化设计的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 杨勇;压力敏感性材料裂纹尖端场的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 白会娟;导电材料结构电磁热弹性多场行为的理论研究[D];兰州大学;2010年
5 魏榛;扑翼非定常气动力实验研究及相关应用探索[D];中国科学技术大学;2010年
6 潘健怡;铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究[D];华南理工大学;2010年
7 甄晓霞;大跨径钢桥桥面铺装体系力学行为研究[D];华南理工大学;2010年
8 李媛萍;非线性粘弹性结构的动态行为及大跨空间网壳的减震控制研究[D];暨南大学;2010年
9 刘海锋;网格结构精细化有限元分析方法研究[D];浙江大学;2010年
10 曾芳;大型滑履磨机结构分析及焊接工艺研究[D];武汉理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张学武;基于磁控技术的TIG焊残余应力的研究[D];南昌航空大学;2010年
2 刘帅;大型渠道混凝土振动密实成型数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
3 张红为;杨木横纹压缩本构关系与时—温等效性研究[D];安徽农业大学;2010年
4 范子嘉;长脉冲激光与金属相互作用的热分析[D];长春理工大学;2010年
5 辛栋;纤维增强聚合物复合材料力学性能的数值预测[D];郑州大学;2010年
6 周宇龙;基于遗传算法的堤防材料动力特性反演分析[D];郑州大学;2010年
7 王会杰;基于变形控制的复合地基变刚度概念设计研究[D];郑州大学;2010年
8 俞顺;基于模型修正及体系可靠度的桥梁结构性能评价[D];郑州大学;2010年
9 王斌;浅层地表缺陷动力探测技术研究[D];郑州大学;2010年
10 李殿文;细晶粒钢筋粘结锚固性能的试验研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐海军;谢海斌;张代兵;;微小型水下机器人推进方式的比较研究[J];兵工自动化;2009年04期
2 王龙;喻俊志;胡永辉;范瑞峰;霍继延;谢广明;;机器海豚的机构设计与运动控制[J];北京大学学报(自然科学版);2006年03期
3 孙茂;黄华;;微型飞行器的仿生力学——蝴蝶飞行的气动力特性[J];北京航空航天大学学报;2006年10期
4 高俊;毕树生;李吉;蔡月日;;胸鳍扑翼式机器鱼的设计及水动力实验[J];北京航空航天大学学报;2011年03期
5 成巍 ,苏玉民 ,秦再白 ,万磊 ,徐玉如;一种仿生水下机器人的研究进展[J];船舶工程;2004年01期
6 王志东;张晓庆;丛文超;;柔性摆动水翼弦向变形模式及其对推进性能的影响研究[J];船舶力学;2010年07期
7 陆光;颜景平;张志胜;史金飞;金晓怡;;昆翅在飞行中的动态形变[J];东南大学学报(自然科学版);2011年01期
8 李德源,陈海斌;松质骨粘弹性的数值分析[J];重庆大学学报(自然科学版);2001年04期
9 于凯;黄胜;胡健;郭春雨;;仿生双尾推进的试验研究[J];哈尔滨工程大学学报;2008年03期
10 王兆立;苏玉民;李彦丽;杨亮;王晓飞;;非定常流场中机械胸鳍的水动力性能分析[J];哈尔滨工程大学学报;2009年05期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 陆夕云;尹协振;童秉纲;;游动生物运动力学和仿生技术研究[A];第二十届全国水动力学研讨会文集[C];2007年
2 胡文蓉;;翼型非对称拍动的水动力学研究[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 王亮;仿生鱼群自主游动及控制的研究[D];河海大学;2007年
2 程鹏;飞行中昆虫运动参数及翼变形的光学测量和演示[D];中国科学技术大学;2007年
3 贾来兵;二维流场中板状柔性体与流体相互作用的研究[D];中国科学技术大学;2009年
4 杭观荣;基于肌肉性静水骨骼原理的机器乌贼原型关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
5 张杰;流固耦合平板绕流的格子波尔兹曼数值研究[D];中国科学技术大学;2009年
6 周萌;鲫鱼的形态、肌电、材料本构实验研究与“数字鱼”数据库初探[D];中国科学技术大学;2010年
7 杨少波;牛鼻鲼泳动动力学分析与仿生机器鱼研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 李彦丽;非定常拍动翼的水动力分析[D];哈尔滨工程大学;2009年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 钱勤建;波状游动物体的推进性能及优化[D];中国科学技术大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 鲁梅;井巷柔性材料风帘组的阻风性能试验研究[D];昆明理工大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 崔尔杰;MEMS与智能化流体力学[J];空气动力学学报;2000年S1期
2 孙茂;昆虫飞行的高升力机理[J];力学进展;2002年03期
3 ;PROPULSIVE PERFORMANCE AND VORTEX SHEDDING OF A FOIL IN FLAPPING MOTION[J];Journal of Hydrodynamics(Ser.B);2003年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙为杰;史全岐;傅绥燕;宗秋刚;濮祖荫;谢伦;肖婷;李蕾;刘振兴;H.Reme;E.Lucek;;Cluster卫星对磁尾电流片运动特性的统计分析[J];中国科学:技术科学;2010年07期
2 翁梓华,黄太平;扑翼飞行的高升力机理分析[J];机电技术;2003年S1期
3 孙茂;昆虫是怎样飞行的[J];力学与实践;2004年01期
4 孙一峰;鲍麟;余永亮;;矩形平板典型非定常拍动的三维效应[J];中国科学院研究生院学报;2010年01期
5 R Ennos,修建华;昆虫飞行——非常规空气动力学[J];力学进展;1992年02期
6 林启彬;;从拍动到飞行[J];化石;1973年02期
7 张宏,张少吾,王翔;用红外方法对蝇翅视动行为的探索[J];生物物理学报;1991年01期
8 孙茂,吴江浩;昆虫飞行的高升力机理和能耗[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
9 王姝歆;陈国平;周建华;颜景平;;仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究[J];实验力学;2006年03期
10 姚大鹏;申功炘;朱百六;郭鹏;陆远;;机械蜻蜓悬停时的气动力实验研究[J];实验流体力学;2011年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 鲍麟;童秉纲;;模型昆虫翼拍动运动中被动弹性变形及其气动力响应[A];第十届全国分离流、旋涡和流动控制会议论文集[C];2004年
2 孙茂;吴江浩;兰世隆;;微型飞行器的仿生流体力学[A];2003空气动力学前沿研究论文集[C];2003年
3 白鹏;崔尔杰;李锋;周伟江;;仿生拍动翼一种新拍动方式的高升力机制研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
4 申功炘;谭广琨;陆远;任禹桥;黄烁桥;喻科;;仿生三维空间旋涡流动结构实验研究[A];第七届全国实验流体力学学术会议论文集[C];2007年
5 申功炘;谭广琨;黄烁桥;喻科;任禹桥;;仿生机器鱼游动的三维流动结构机理实验研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
6 陆夕云;;拍动推进和波状摆动推进的数值模拟研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
7 潘定一;邵雪明;邓见;;仿生拍动翼流场的数值模拟研究[A];第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集[C];2008年
8 兰世隆;孙茂;;昆虫飞行中的涡[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
9 孙茂;熊燕;;昆虫悬停飞行的动稳定性研究[A];第十届全国分离流、旋涡和流动控制会议论文集[C];2004年
10 兰世隆;孙茂;;蜻蜓前后翼拍动时的相互干扰[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 黄海昀;129位买家竞拍铝材显露商机[N];中国商报;2003年
2 林阳;发展中国卡通需要换脑筋[N];中国图书商报;2005年
3 李琳练彦;100万元会不会“打水漂”?[N];丽水日报;2007年
4 林阳;中国的卡通明星在哪里?[N];中华读书报;2001年
5 陈元火;“雁行理论”在团队经营中的运用[N];中国保险报;2006年
6 本报记者 马德甲;华亭煤业:拍动科技翅膀[N];中国煤炭报;2006年
7 王欣;抓拍动漫节精彩“镜头”[N];石家庄日报;2007年
8 马凯;“谍鸟”米斯蒂克亮相[N];中国国防报;2003年
9 本报记者 倪敏;成龙“玩命”打造《飞龙再生》[N];中国消费者报;2003年
10 罗伯特·伍德;飞行机器人:小身材大智慧[N];计算机世界;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前9条
1 鲍麟;昆虫翼柔性变形的力学效应研究[D];中国科学院研究生院;2007年
2 颜幸尧;仿昆虫微飞行器简化气动力模型的研究[D];浙江大学;2008年
3 周建华;微型拍翅式飞行机器人翅运动及控制系统研究[D];东南大学;2005年
4 张杰;流固耦合平板绕流的格子波尔兹曼数值研究[D];中国科学技术大学;2009年
5 程鹏;飞行中昆虫运动参数及翼变形的光学测量和演示[D];中国科学技术大学;2007年
6 綦志刚;船舶零航速减摇鳍升力机理及系统模型研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
7 谢芳芳;柔性体流致振动的数值模拟研究[D];浙江大学;2013年
8 潘定一;基于沉浸边界法的鱼游运动水动力学机理研究[D];浙江大学;2011年
9 刘永刚;IDE压电元件及其在仿生翼中的应用研究[D];南京航空航天大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李越;蜻蜓翅翼拍动机理研究和模拟装置研制[D];哈尔滨工业大学;2007年
2 常兴华;基于动态混合网格的非定常计算方法及生物外流数值模拟研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2007年
3 于冰;微型仿生扑翼飞行机器人飞行机理和控制方案研究[D];东南大学;2006年
4 徐义刚;带胸鳍仿生鱼的自主游动数值模拟[D];上海交通大学;2012年
5 端义霞;仿生扑翼飞行机器人的动力特性与驱动机构研究[D];扬州大学;2008年
6 张根宝;扑翼气动分析的数值与理论研究[D];东华大学;2011年
7 文敏华;拍动翼的非定常流动机理的数值研究[D];上海交通大学;2012年
8 朱洪波;基于FLUENT的翅翼运动升力系数的研究[D];西南交通大学;2010年
9 刘冠冕;基于DFD的扑翼流场数值模拟研究[D];南京航空航天大学;2012年
10 梁传秋;SPC-Ⅱ推进系统设计及仿鱼推进器研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026