为了模拟自然界中生物的变迎角扑翼飞行,提出了一种基于RC/RRU并联机构的变迎角扑翼飞行器。首先,基于旋量理论分析机构的自由度数目及其性质,建立RC/RRU并联机构模型;其次,基于RC/RRU并联机构,建立扑翼飞行器的整体结构模型,通过运动学分析推导扑动角、迎角与输入角之间的函数关系,得出1个扑动周期内翼翅的运动规律;然后,将扑翼飞行器导入XFlow软件中进行空气动力学仿真,对比不同展弦比翼型的升力及推力性能,为翼型设计提供参考。仿真表明,扑翼飞行器产生的净升力大于飞行器质量,且展弦比大的翼型,升力及推力也越大。最后,通过简易样机测试,证明了所设计的变迎角扑翼飞行器在1个扑动周期内可以产生有效的净升力及推力。

针对目前扑翼飞行器扑翼运动模式单一,飞行灵活性和稳定性不高的问题,设计了一款基于空间连杆机构的单驱动多模式扑翼飞行器。建立了扑翼飞行器运动学模型,通过软件Matlab与Adams联合仿真对驱动机构进行分析,对比得出了扑翼飞行器的运动特性;建立了单驱动多模式扑翼飞行器气动力学模型,将求得的周期变化的迎风阻力施加在机翼上,分析了扑翼飞行器的动力学特性;通过联合机构运动学和气动力学耦合分析,得出扑翼飞行器的耦合动力学特性。为未来扑翼飞行器的飞行控制与性能提升提供了研究基础。

针对传统扑翼飞行器机翼拍打存在相位差的问题,设计了一种使用曲柄滑槽机构传动的扑翼飞行器,对其进行建模和仿真分析,制作样机并进行了实际飞行测试。制作的样机质量为26 g,翼展为340 mm,最高拍打频率为17 Hz。对曲柄滑槽机构进行理论分析,推导出该机构的运动学方程;利用SolidWorks软件对曲柄滑槽机构进行运动学仿真分析,研究了不同曲柄长度和不同拍打频率下扑翼飞行器的运动特性,确定了一个合适的曲柄长度;测试了不同电机型号和减速比下扑翼飞行器的功率消耗,确定一组低功耗的动力装置。研究结果表明,曲柄滑槽传动机构能够实现机翼无相差对称拍打,降低升力不平衡对机身的影响;在曲柄长度为4.5 mm时,机翼的上冲程角和下冲程角分别为45°和-15°,扑翼飞行器能够实现在空中稳定飞行。

为了提高扑翼飞行器的飞行性能,借鉴中小型鸟类的飞行运动特征,设计了一种基于空间连杆机构的新型多自由度扑翼机构。首先,通过运动学分析建立了扑翼飞行器驱动机构的运动学模型;然后,在Adams仿真软件中建立了扑翼机构仿真分析模型,对理论分析进行了验证。结果表明,所设计的驱动机构通过单自由度驱动就能够实现扑动、扭转、偏转多个自由度耦合运动。其中,上扑动极限为34.65°、下扑动极限为-29.66°,最大扭转角为15.05°,最小扭转角为-14.9°,偏转角范围为-5.01°~5.21°;输出的“8”字形轨迹与中小型鸟类飞行时的翼尖轨迹相同,具有良好的气动性能。仿真得到的运动学参数与理论计算一致,验证了理论计算的正确性。

针对目前扑翼飞行器飞行模式单一,无法灵活调整飞行姿态的问题,设计了一款可变幅扑翼飞行器,通过调节翅翼扑动幅值,实现扑翼运动姿态和飞行模式切换。建立可变幅扑翼飞行器机构运动学模型,基于Adams和Matlab进行联合仿真,对扑翼飞行器进行运动特性分析。建立多飞行模式下的气动模型,通过XFLR5软件分析可变幅扑翼飞行器的气动特性,通过设定相关参数,实现了起飞、快速飞行、慢速巡航等多种飞行模式,提高了扑翼飞行器的灵活性,为未来扑翼飞行器的进一步发展提供了研究基础。

建立了“拍动+内折叠+外折叠+扭转”的三段式扑翼模型,运用流体仿真软件XFlow进行低雷诺数下的气动仿真,获得了折叠角个数,外折叠角折叠位置、内外折叠角幅值、机身迎角等因素对扑翼飞行器气动特性的影响。研究发现内折叠角是升力和推力改变的主要因素,而外折叠角对升力有小幅增益,对推力几乎无影响。为扑翼飞行器的进一步研究提供理论支持。

为了实现鸟类翅膀扑动过程中的复杂运动,设计了一套能够实现挥拍-折叠运动的扑动机构,首次采用了ADAMS-XFlow联合仿真的方法进行气动特性研究,分别研究扑动频率与来流速度对其气动特性的影响,得到了在不同条件下的升力系数和推力系数曲线、速度云图及展向压力云图,结果表明:增加扑动频率可以大幅度提高仿生扑翼飞行器的气动特性;增加空气来流速度将降低仿生扑翼飞行器的气动特性;增加扑动频率和来流速度都将减小扑翼的速度波动对气动特性的影响。

仿鸟型扑翼飞行器在飞行机动性和飞行效率上有巨大发展潜力,是一种具有较高研究价值和应用前景的微型飞行器。由于仿鸟型扑翼飞行器的柔性扑动翼在扑动过程中会产生较大结构变形,同时扑动翼的扑动运动与机体的刚体运动会产生高度耦合,因此需要从气动、结构与飞行力学多学科耦合的角度对该类飞行器的气动特性和飞行稳定性进行分析。针对该类飞行器的气动机理、气动/结构耦合研究、飞行稳定性分析方法以及扑动翼的柔性对飞行稳定性的影响等方面进行了国内外现状的分析和总结。目前仿鸟型扑翼飞行器的发展还面临着诸多难题,尤其在非定常气动机理、气动/结构耦合的尺度律以及气动/结构/飞行力学的耦合方法等方面亟需进一步的突破和发展。

通过进行微型扑翼飞行器低速风洞实验,研究了扑动幅值角对扑翼飞行器气动力特性的影响。实验中选择了4种机翼扑动幅值角55°、75°、95°和115°,实验风速从4m/s～10m/s,间隔2m/s,扑动频率从4Hz～8Hz。实验结果表明:在不同风速和扑动频率下,扑动幅值角分别为55°、75°、95°、115°时随着风速的增加升力明显增加,但随着频率的增加升力并未增加。在不同风速和扑动频率下得出扑动幅值角分别为55°、75°、95°、115°时推力随扑动频率的变化曲线,可以看出随着风速的增加推力明显减小,但随着频率的增加推力明显增加。实验结果与自然界中鸟和昆虫的飞行特性相一致。

为更加真实可靠地反映扑翼飞行器在大气边界层中的飞行状态,采用基于标准的k-ε湍流模型,以大气边界层中四种具体地貌的风速剖面为入口边界条件,结合Fluent的滑移网格技术,分别对扑翼飞行器位置高度在标准高度以上和以下位置的气动特性进行数值模拟,分别得到两个位置的升阻力系数。计算结果表明,在翅翼扑动频率、入口风速剖面和迎角不变的情况下,地面粗糙度对扑翼飞行器升阻力系数的影响由扑翼飞行器相对于标准参考高度的位置决定。