基于甲虫后翅仿生的微小型飞行器柔性可折叠翼设计及动力学研究

基本信息
批准号:51705473
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:22.00
负责人:王才东
学科分类:
依托单位:郑州轻工业大学
批准年份:2017
结题年份:2020
起止时间:2018-01-01 - 2020-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:陈鹿民,王良文,李一浩,刘洁,刘瑞,李志航,宁宇
关键词:
运动控制介电型电活性聚合物仿生机器人柔性折叠翼动力学分析
结项摘要

Hind wing of beetles (Coleoptera) has bigger folding rate, and the behavior of folding wing’s folding/unfolding and flapping relates to the interaction of the wing’s material, structure motion and load-carrying capability. The flexible folding wing has an important application prospect in the field of imitation insect air vehicle with flapping wing. The control augmented -structural synthesis and kinetic of flexible folding wing based on Electroactive Polymer (EAP) are studied in this project. In this study, the experimental and finite element simulation methods are used to quantitatively analyze folding and unfolding movement of micro flexible folding wings with multi degree of freedom. The bionic folding mechanism for flexible folding wing with semi-active by elastic hinge is designed by the bionic method. The dynamic model of unfolding and folding process is established by Lagrange method, and the numerical simulation and analysis of dynamic characteristics are conducted. The inherent laws of folding and unfolding performance and some factors, such as the structural parameters of flexible folding wing and the stiffness of elastic hinge, are explored. Based on aerodynamic model of three-dimensional unsteady vortex lattice method,the flapping dynamical model of the folding wing is established. The coupling effects of the whole flapping movement,relative rotation between the wing, flexible deformation,pneumatic resistance,the structure and physical parameters of folding wing and elastic hinge are studied. The results will provide a novel way for the micro-air vehicle.

鞘翅类甲虫后翅拥有较大的折叠率,甲虫后翅的展开、折叠及飞行行为涉及翼面的材料、结构、运动和受力等多因素作用。仿甲虫后翅折叠翼在微型扑翼飞行器领域有重要的应用前景。本项目研究基于介电型电活性聚合物(EAP)的柔性可折叠翼控制-结构一体化仿生设计及其动态特性。运用实验与有限元模拟等方法定量研究柔性折叠翼的运动特征,基于仿生设计法,提出一种依靠弹性铰链驱动的柔性折叠翼的半主动展开机构;建立折叠翼机构展开与折叠过程的动力学方程,通过动力学分析与数值仿真,探讨折叠翼的几何结构与物理参数、弹性铰链刚度等因素对折叠与展开性能的影响程度与内在规律。基于三维非定常涡格法建立折叠翼扑翼过程的空气动力学模型,结合柔性多体系统方法,研究折叠翼的几何结构与物理参数、弹性铰链参数对其扑翼过程的整体运动、各翼板间的相对转动、翼板柔性变形与气动阻力的耦合效应。研究结果将为仿甲虫微型扑翼飞行器的开发提供新思路与新方法。

项目摘要

自然界中,飞鸟、昆虫等扑翼飞行生物经过不断适应环境和优化选择,具有令人惊叹的飞行技巧,其在形态、运动方式、能量利用等方面有显著优点。鞘翅类甲虫后翅拥有较大的折叠率,甲虫后翅的展开、折叠及飞行行为涉及翼面的材料、结构、运动和受力等多因素作用。仿甲虫后翅折叠翼在微型扑翼飞行器领域有广泛的应用前景。项目通过分析甲虫后翅折叠翼的折叠、展开与扑翼运动的特征,进行柔性折叠翼仿生设计,提出一种多自由度柔性折叠翼的控制-结构一体化设计实现方案。研究了IPMC弹性铰链特性,进行折叠翼折叠性能分析。建立折叠翼的折叠率计算数学模型,获得不同折痕角度下,翅翼的面积折叠率。采用多柔体系统动力学方法和流体力学相结合的方法,建立可折叠翼的展开折叠、展开与扑翼过程的动力学方程。利用ADAMS软件建立折叠翼机构的刚柔动力学仿真模型,进行运动仿真分析,分析两者运动特性,得出了刚性翅翼和柔性翅翼在折叠过程中的二面角和扭矩变化规律,改进翅翼的折叠性能。研究折叠翼的几何结构与物理参数、弹性铰链参数对其刚体运动、柔性变形与气动阻力的综合影响及其耦合效应。采用双向流固耦合(FSI)数值模拟方法,对仿生折叠翼飞行器的前飞过程和滑翔过程的气动性能建模与仿真分析。对不同运动参数下的扑翼前飞过程进行数值模拟,对不同条件下翅翼的升、阻力系数、平均升力系数、推力系数进行对比分析,获得了柔性折叠翼的最佳结构参数和运动参数。研制了仿甲虫柔性可折叠翼飞行器样机,进行了初步样机测试试验。项目研究成果为仿甲虫扑翼微型飞行器的设计提供新思路与新方法,进一步推动新型微型飞行器的研发和实际应用。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

玉米叶向值的全基因组关联分析

玉米叶向值的全基因组关联分析

DOI:
发表时间:
2

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
3

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.t20201185
发表时间:2021
4

硬件木马:关键问题研究进展及新动向

硬件木马:关键问题研究进展及新动向

DOI:
发表时间:2018
5

基于SSVEP 直接脑控机器人方向和速度研究

基于SSVEP 直接脑控机器人方向和速度研究

DOI:10.16383/j.aas.2016.c150880
发表时间:2016

王才东的其他基金

相似国自然基金

1

微扑翼飞行器的仿生设计与控制问题研究

批准号:50575183
批准年份:2005
负责人:方宗德
学科分类:E0507
资助金额:27.00
项目类别:面上项目
2

微型飞行器仿生柔性翼结构自适应抗风力学特性研究

批准号:10802066
批准年份:2008
负责人:李占科
学科分类:A0810
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
3

甲虫前翅结构仿生复合材料的应用基础研究

批准号:50273034
批准年份:2002
负责人:陈锦祥
学科分类:E0305
资助金额:23.00
项目类别:面上项目
4

金龟子后翅展开/折叠液压作用机理及可折叠膜结构系统研究

批准号:31172144
批准年份:2011
负责人:孙霁宇
学科分类:C0403
资助金额:53.00
项目类别:面上项目