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可穿戴扑翼飞行器造型设计与气动特性分析

李睿  
【摘要】:可穿戴扑翼飞行器是在小型飞行器领域新的尝试与研究,其可以应用于特种兵作战以克服传统跳伞方式的可控性低、滑翔航程短和飞行隐蔽性低等不足,也可以应用于休闲娱乐与极限运动。为了提高可穿戴扑翼飞行器造型设计初期的设计效率,激发设计思维,本文提出了一种基于遗传算法和边缘检测的产品造型创新设计方法,为产品的后续研发提供造型基础。飞行器的气动特性是飞行器概念设计中的研究重点,本文从仿生设计的角度出发,对不同形态的扑翼进行气动特性的对比研究,归纳出不同形态扑翼的飞行机理与规律从而指导可穿戴扑翼飞行器的造型设计。本文的研究内容如下:(1)本文首先介绍了不同的产品创新设计理论和国内外对可穿戴飞行器的研究现状,介绍CFD技术在气动分析中的应用。阐述了可穿戴飞行器的定义、分类和应用,从设计DNA角度对可穿戴飞行器的各设计要素进行分析并且采用人机工程学对可穿戴扑翼飞行器的主要尺寸、飞行状态参数进行确立。(2)提出一种产品造型创新设计方法,用此方法对可穿戴飞行器造型进行创新设计。应用经典的边缘检测方法对父代样本扑翼特征曲线进行提取,通过基于8邻域的边缘搜索算法将父代特征曲线直角坐标化。应用二叉树曲线划分方式对特征曲线进行形态基因编码,对父代样本形态基因实施遗传算子运算得到子代形态基因库,利用子代基因库对可穿戴扑翼飞行器造型进行指导设计。(3)阐述CFD数值计算的理论基础,对七种不同形态的扑翼构型进行三维建模并且建立计算域,利用Gambit对其进行网络划分。利用Fluent对不同形态扑翼进行气动数据、压力云图和流线图分析,研究总结出形态基因对扑翼飞行机理和绕流特性的影响,得出最符合飞行要求的形态基因。(4)通过对比仿军舰鸟扑翼三维模型和仿雨燕扑翼三维模型的气动性能,对椭圆形形态基因扑翼的气动特性进行细致研究。通过变参数分析法,改变椭圆形态扑翼的前凸角度,对不同前凸角度椭圆形扑翼进行气动性能分析。结合研究结果对可穿戴扑翼飞行器造型进行优化设计。


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