瓢虫翼面大柔性折叠的力学机理及其扑翼运动的气动性能

Not only the wing film of ladybug can be extremely-flexibly folded in its elytron by the passive deformation, but also it can be unfolded very quickly before the flapping flight, and the inconceivability fact is that the wing .never be over-bended or destroyed in the flight.Some unknown mechanical mechanism must be hidden behind this phenomena that looks so incompatible. It would show us a novel way for the research such as: flapping Micro Areo Vehicle, morphing wing vehicle or bionic intelligent material(structure),if the folding/unfolding mechanism can be carefully discussed.The behavior of ladybug wing's folding/ unfolding and flapping relates to the interaction of wing matarial,wing structure, wing motion and the wing load.In order to reveal the large flexible folding mechanism of the wing and the wing's non-failure mechanism in flight, the force characteristics in the ladybug wing's folding/unfolding process and the wing's deformation rule in the flapping flight will be checked mostly by experiments(F.E.M.analysis is also applied)in this project.Both the multi-views insect flight observation technology and bionic integrated flapping model experiment system will be used here, and the research will mainly concern about the detailed topics bellow: obtained the morphology discription of the wing and found the directly correlated biological structure of folding;bulit the 3-D wing folding/unfolding process sequence and found the main force and the critical condition when the wing is folding; analyzed the aerodynamic force,flexible deformation,furthermore,found the limit aerodynamic load when the wing is distortion failure.

瓢虫薄膜状翼面既能够依靠被动变形大柔性地折叠在翅鞘中，又能够在扑翼飞行前快速展开且飞行中不会发生过度弯折与破坏。看似矛盾的背后包含了尚未揭示的力学机理。研究瓢虫翼面的折叠/展开机理，将为扑翼微飞行器、变形翼飞行器和仿生智能材料(结构)的开发提供新思路。瓢虫翼面的展开、飞行及折叠行为涉及翼面的材料、结构、运动和受力等多种因素的共同作用。本项目拟主要通过实验，并辅助有限元模拟来研究瓢虫翼面折叠过程的受力特征以及扑翼飞行中的翼面变形规律，最终揭示翼面能大柔性折叠和飞行时不失效的力学机理。项目将融合多视角昆虫图像观测技术和仿生智能扑翼模型技术等实验方法，从以下主要研究内容具体展开：建立瓢虫翼面的形态学描述并确定与折叠直接相关的生物学构造；获得翼面折叠/展开的三维动态过程并明确发生折叠的驱动力及临界条件；分析扑翼运动中的气动力及柔性变形的规律，并确定能导致翼面变形失效的极限气动载荷。

瓢虫是一种常见的典型鞘翅目昆虫，它的后翼具备不可思议的折叠展开能力。瓢虫飞行前后翼能够快速的从鞘翅中展开，飞行中却能够很好的保持翼面形状而获得升力。更令人惊奇的是瓢虫翼面很薄，并且翼面表面没有任何的肌肉及其它驱动装置用来实现折叠展开与飞行。过去关于昆虫的仿生学研究表明，这种折叠展开和飞行的能力仅可以依赖翼面根部的肌肉来实现。如果人们可以了解并掌握这种折叠方法，就能开发出更好的可折叠翼飞行器或大型太空展开结构等，有重要研究意义。. 本课题正是试图揭示瓢虫翼面实现折叠展开的力学机理和飞行时所受到的气动力。经过三年的课题研究目前对瓢虫折叠展开的力学机理已经获得了更为清晰的认识。首先，通过对瓢虫翼面展开过程的活体观测与三维重建发现展开过程可分为加速启动，匀速/展开和快速结束三个过程，并且展开后的翼面呈现有规律的非平面特点。其次，通过对瓢虫翼面展开过程的ABAQUS模拟表明，瓢虫翼面能够完美的折叠与展开，不仅与折叠位置及几何角度有关，还与瓢虫翼面各区域的刚度分布密切相关。. 瓢虫翼面折叠展开过程的力学机理研究涉及流体，固体，仿生等多个研究角度，目前可参考的研究成果很少，并且也仅局限于折叠过程的几何特征等（F.HASS等人），研究难度较大。因此在本课题的研究过程中，还成功地开发了一些新颖的实验装置用于研究工作。首先为定量和真实地反映瓢虫翼面展开过程，开发了基于双目视觉测量技术的瓢虫翼面观测系统。其次为深入研究瓢虫翼面的刚度分布开发了基于线激光扫描技术的昆虫翼面刚度测量系统。最后为研究瓢虫翼面在飞行过程中的受力，开发了多自由度的自动扑翼实验装置。. 课题研究一直工作严格按照项目规划进行，取得了有价值的成果，但也存在一定的不足。首先是对瓢虫活体实验的经验不足，导致有价值的数据的获取费时不少。其次，瓢虫翼面折叠/展开的力学机理研究是一项极具创新与挑战的工作，为课题工作的开展开发了不少专用设备。最后，由于影响折叠展开过程的力学因素较复杂，所以在项目成果论文发表方面较为滞后而显不足。本课题组将借助已有平台，继续深入研究，最终揭示瓢虫翼面折叠/展开的机理。