[發明專利]基于非均勻柔度分布尾梢的撲翼升力/推力提升方法

有效

• 申請號: 201810584417.5
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108945428B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 林星箭;吳杰;李美萱
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64C33/02
• 分類號: B64C33/02;B64F5/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種基于非均勻柔度分布尾梢的撲翼升力/推力提升方法，屬于微型仿生飛行器技術領域。該方法首先建立尾梢變形公式，接著，通過邊界條件和無量綱參數的建立，及推導，得到調整均勻分布情況下的彎曲系數和非均勻系數即可改變尾梢柔度大小和分布的結論；撲翼撲動時，撲翼前緣形成的渦與尾梢接觸并相互作用，進而改變撲翼表面的壓強分布，改變安裝在撲翼后緣的非均勻柔度分布的尾梢的柔度大小和分布后，不同的尾梢對撲翼表面壓強的影響不同，通過本發明的方法可以優選出最大限度提升撲翼升力/推力的尾梢，從而有效提高撲翼式微型飛行器的撲翼氣動性能，有益于該類微型飛行器的進一步推廣和應用。

技術領域

本發明屬于微型仿生飛行器技術領域，涉及一種基于非均勻柔度分布尾梢的撲翼升力/推力提升方法。

背景技術

自然界的鳥類\昆蟲借助拍動的翅膀完成起飛、滑行和著落等一系列過程。受其啟發，美國早在上個世紀90年代便提出了微型仿生飛行器(MAV)的概念。

不同與傳統的固定翼飛行器，MAV通過撲翼運動就可以使飛行器同時產生升力和推力。這種新型的仿生飛行器可實時傳輸圖像、自主飛行，在軍事和民用領域占據重要的位置。由于理論發展和實際應用的重要性，近三十年來，眾多學者對MAV的機理、特性等進行了大量研究，而MAV仿生撲翼流場的研究則是關鍵的環節。

然而，由于仿生撲翼流場的復雜性以及來流與撲翼的相互作用，對撲翼氣動性能的研究變得更為復雜。總體來說，仿生撲翼的特點可概括為小尺度特性和低雷諾數飛行，其中，研究低雷諾數下的飛行特性是一項關鍵的技術難題。

目前，針對該問題，學者們的研究重心在增強撲翼穩定性、提高升力和推力特性等方面。而大部分的研究工作主要是從運動參數、撲翼形狀、周圍環境等方面來提高撲翼的氣動特性，對撲翼在運動過程中的彈性變形考慮得很少(一般的研究過程中，將撲翼視為剛性體，不考慮變形)，類比鳥類\昆蟲的翅膀在拍動過程中，翅膀的尾梢部位在與周遭氣流的相互作用下會發生變形的。尾梢的變形過程對撲翼的氣動性能有一定影響，因此，有必要對其進行研究，以優化撲翼的氣動性能。

發明內容

針對現有的仿生撲翼氣動性能研究不夠充分、對撲翼上的尾梢關注很少，撲翼升力/推力有待進一步提高的現狀，本發明提出一種基于非均勻柔度分布尾梢的撲翼升力/推力提升方法，該方法通過改變安裝在撲翼后緣的尾梢的柔度大小和分布，改變撲翼表面的壓強分布，從而提升撲翼的升力/推力。

本發明采用的技術方案為：

基于非均勻柔度分布尾梢的撲翼升力/推力提升方法，該方法通過改變安裝于撲翼后緣處的非均勻柔度分布的彈性尾梢的柔度的大小和分布，改變撲翼表面的壓強分布，進而提升撲翼的升力/推力。

進一步地，所述提升撲翼升力/推力的方法具體為：

尾梢在運動的過程中與周圍的流體相互作用，發生變形；定義彈性尾梢的位置向量為X(s,t)，其變形的數學表達式為：

其中，s是沿著尾梢的體軸系坐標，ρ_s是尾梢的線性密度，T是沿著尾梢的張力，K_b是彎曲系數，F是周圍流體對尾梢的作用力向量，t是時間；

在尾梢與撲翼后緣的鏈接處，使用簡支邊界條件，即：

在尾梢的自由端，利用如下條件：

此外，定義兩個與尾梢屬性有關的無量綱參數：質量比和頻率比它們的數學表達式分別為：

其中，ρ是自由來流的密度，L是尾梢的長度，是尾梢的第一固有頻率，f是撲翼的運動頻率；