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基于曲柄摇杆机构的扑翼微飞行器的研究

彭松林  
【摘要】:自从微飞行器的概念提出后,微飞行器的研究就已成为前沿课题,并因其巨大的军用和民用优势吸引了世界上众多的研究者。目前,扑翼微飞行器已成为微飞行器研究领域的热点,研究中需要解决的问题很多,涉及的学科和领域也很宽泛。本文针对基于曲柄摇杆机构的扑翼飞行器进行了细致的研究,主要内容集中在扑翼机构的设计制造,机构的优化,风洞实验以及翅脉研究几个方面。全文主要研究内容和结论如下: 给出了扑翼机构中曲柄摇杆的限制条件,经过计算及初步优化后,确定了实际扑翼机构的参数;利用UG建立了扑翼机构的各个零部件并虚拟装配成扑翼机构,并对其进行了运动学仿真验证,实际制造的扑翼机构各零部件经装配调试也运行良好。 为了提高扑翼机构的性能,建立了扑翼机构的MATLAB和ADAMS联合仿真模型。利用该模型对电机参数以及扑翼机构结构(减速比和曲柄摇杆参数)单一变化对扑翼机构扑动频率的影响进行了详细的研究,明晰了这些变化对扑翼机构扑动频率的影响,指出了用于扑翼机构的直流微电机的选取原则,并获得了相对最优的结构参数和确定了扑翼机构中曲柄摇杆参数最重要的指标是L_3/L_1(摇杆与曲柄长度比)。随后对扑翼机构底座固定产生的支座反力进行了详细的研究,指出虽然增加L_3或是减小L_1都可以达到增大L_3/L_1的目的,但通过改变L_1来实现要更好一些,因为改变L_1相较改变L_3可以使得扑翼机构最终产生更小的支座反力。 运用MATLAB和ADAMS仿真模型对刚性翅脉的形貌、材料属性和初始安装角度的改变进行了一系列的仿真和分析。(1)发现翅脉展长、展向截面积对扑翼机构性能的影响显著,而翅脉的弦长、翅脉梁之间角度的变化、翅脉初始安装角的变化对扑翼机构性能的影响很小,翅脉材料的变化对对扑翼机构性能的影响与其密度的改变大小有关。(2)综合分析各种翅脉变化导致的翅脉本身物理量的变化趋势及其对扑翼机构性能的影响变化趋势,发现表征翅脉共性的量只有翅脉的转动惯量Izz;并且不论翅脉如何变化,其转动惯量Izz变化趋势始终与扑翼机构扑动频率的变化趋势相反,两者的关系虽然很接近线性反比例关系,但实际上并不是线性的。因此翅脉的各种改变导致扑翼机构性能出现非常类似现象的共同原因和控制量是翅脉转动惯量Izz。除此之外,在初始安装角不为零时翅脉受的惯性力出现了异常,其原因在于惯性力的x和y方向分量均在最后附加了与翅脉运动方向相关的一项。(3)对翅脉各个因素在整个翅膀中的作用进行了探讨,指明了在实验中要排除惯性力的影响的准确方法是保持测量对象与替代物之间的质量、质量中心、角速度以及角加速度完全相同。另外也指出了小角度的调节翅脉梁之间的角度时,其惯性力基本上变化极小,但空气动力性能则可能有很大的改善。提出翅膀的设计思路在于充分利用这一特点,在尽量使翅脉结构的转动惯量最小的设计中,通过梁的小角度调节来寻找到其中空气动力性能最优最符合飞行物要求的那一种翅膀或是翅脉构造。最后对翅脉仿真进行了相应的实验及有关文献资料的验证。 为了了解实际制作的扑翼微飞行器气动性能,对其进行了PIV(Particle Image Velocimetry)风洞实验。采用延迟拍摄方法观察到了一个扑动周期内前缘涡的形成发展过程。采用外部触发拍摄方法对变扑动频率、变来流速度和变展现位置3个方面进行了研究,了解了其各自变化对周围流场的影响。


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