[發(fā)明專利]一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

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• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN115892465A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張弘志;孫中超;宣建林;宋筆鋒;楊曉君;汪亮;稂鑫雨;張明昊
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B64C33/02
• 分類號: B64C33/02;B64C33/00
• 代理公司: 河北中科律政知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 13182
• 代理人: 嚴(yán)加亮

1.一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其特征在于：所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)及設(shè)置在所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)上的壓電雙晶片驅(qū)動器(4)和分布柔度式傳動鏈；

所述分布柔度式傳動鏈為左右對稱結(jié)構(gòu)，其包括一對豎向彈片和一個(gè)橫向彈片(7)，一對所述豎向彈片分別為左側(cè)彈片(5)和右側(cè)彈片(6)，所述左側(cè)彈片(5)和所述右側(cè)彈片(6)左右相向?qū)ΨQ設(shè)置，它們的連接結(jié)構(gòu)為：首先將所述左側(cè)彈片(5)的上端部位與所述右側(cè)彈片(6)的上端部位分別向外側(cè)對稱預(yù)彎曲變形，將所述橫向彈片(7)的左端部位與其右端部位分別向上預(yù)彎曲變形，之后再將所述橫向彈片(7)的左端部位與所述左側(cè)彈片(5)的上端部位固定粘接在一起，將所述橫向彈片(7)的右端部位與所述右側(cè)彈片(6)的上端部位固定粘接在一起，從而形成具有預(yù)應(yīng)彈力的所述分布柔度式傳動鏈；所述分布柔度式傳動鏈具有兩個(gè)撲動臂和一個(gè)撲動傳動部(8)，兩個(gè)所述撲動臂分別為左側(cè)撲動臂(9)和右側(cè)撲動臂(10)，所述左側(cè)彈片(5)與所述橫向彈片(7)的交匯處形成左側(cè)撲動臂支撐部，所述左側(cè)撲動臂支撐部外端的所述左側(cè)彈片(5)與所述橫向彈片(7)連接部位形成所述左側(cè)撲動臂(9)；所述右側(cè)彈片(6)與所述橫向彈片(7)的交匯處形成右側(cè)撲動臂支撐部，所述右側(cè)撲動臂支撐部外端的所述右側(cè)彈片(6)與所述橫向彈片(7)連接部位形成所述右側(cè)撲動臂(10)；所述左側(cè)撲動臂(9)與所述右側(cè)撲動臂(10)在所述分布柔度式傳動鏈的預(yù)應(yīng)彈力作用下由內(nèi)端至外端向上傾斜，從而使所述分布柔度式傳動鏈形成左右對稱結(jié)構(gòu)；所述橫向彈片(7)的中間部位形成所述撲動傳動部(8)；

所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的固定端固定在所述分布柔度式傳動鏈的后端，其自由端與所述分布柔度式傳動鏈的撲動傳動部(8)固定連接；

所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)通過其自由端驅(qū)動所述撲動傳動部(8)上下震動，在所述預(yù)應(yīng)彈力的作用下，所述分布柔度式傳動鏈驅(qū)動所述左側(cè)撲動臂(9)與所述右側(cè)撲動臂(10)做同頻同幅撲動運(yùn)動。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其特征在于：在所述分布柔度式傳動鏈中，所述橫向彈片(7)的所述撲動傳動部(8)為橫向彈片大剛度段，所述橫向彈片(7)位于所述撲動傳動部(8)兩側(cè)的部位為橫向彈片小剛度段，所述橫向彈片大剛度段的剛度大于所述橫向彈片小剛度段的剛度，其中，位于所述撲動傳動部(8)左側(cè)的橫向彈片小剛度段為橫向彈片左側(cè)小剛度段，位于所述撲動傳動部(8)右側(cè)的橫向彈片小剛度段為橫向彈片右側(cè)小剛度段；

所述左側(cè)彈片(5)及所述右側(cè)彈片(6)的下部為豎向彈片大剛度段，所述左側(cè)撲動臂(9)及所述右側(cè)撲動臂(10)上部為豎向彈片小剛度段，所述豎向彈片大剛度段的剛度大于所述豎向彈片小剛度段的剛度；其中，所述左側(cè)彈片(5)的豎向彈片大剛度段為左側(cè)彈片大剛度段，所述左側(cè)彈片(5)的豎向彈片小剛度段為左側(cè)彈片小剛度段，所述右側(cè)彈片(6)的豎向彈片大剛度段為右側(cè)彈片大剛度段，所述右側(cè)彈片(6)的豎向彈片小剛度段為右側(cè)彈片小剛度段；所述左側(cè)彈片大剛度段的下部與所述右側(cè)彈片大剛度段的下部分別通過傳動鏈固定板(11)固定在所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)上，以在所述撲動傳動部(8)震動時(shí)，使其保持豎直方向。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其特征在于：所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)采用編織碳纖維層合板材質(zhì)制作，所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)的折彎處由編織碳纖維層合板中間層的柔性折彎薄膜連接形成折疊縫，并在所述編織碳纖維層合板的折疊縫及所述編織碳纖維層合板的對接縫處涂膠固定，從而使所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)形成一體化結(jié)構(gòu)；所述左側(cè)彈片(5)，所述右側(cè)彈片(6)和所述橫向彈片(7)均由三層寬度相同的聚丙烯薄板相互層疊粘接組成，其中外側(cè)兩層聚丙烯薄板的厚度相同，其剛度的大小通過中間層的聚丙烯薄板的厚度大小實(shí)現(xiàn)。

4.一種分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

a.依據(jù)集中質(zhì)量法原理，將所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)簡化為一個(gè)同時(shí)含有等效質(zhì)量塊M_act,e，等效直線阻尼C_act,e，等效直線彈簧K_act,e和等效壓電驅(qū)動力F_p的等效單自由度二階直線振動系統(tǒng)；通過沿豎直方向的移動副將等效質(zhì)量塊M_act,e與大地相連：等效直線彈簧K_act,e與等效直線阻尼C_act,e沿豎直方向相互并聯(lián)，其上端均與等效質(zhì)量塊M_act,e固聯(lián)，下端均與地固聯(lián)；等效壓電驅(qū)動力F_p沿豎直方向作用在等效質(zhì)量塊M_act,e上，在線性范圍內(nèi)，等效壓電驅(qū)動力F_p與沿壓電陶瓷片厚度方向的電場強(qiáng)度E_V成正比；

即：F_p＝λ_pE_V

式中：λ_p為力—電比例系數(shù)；E_V則是壓電雙晶片驅(qū)動電壓U和驅(qū)動頻率f_elec的函數(shù)；將等效質(zhì)量塊M_act,e沿豎直方向的位移定義為所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的等效直線位移輸出x_act；

b.所述分布柔度式傳動鏈依據(jù)大變形柔性梁的1R與2R偽剛體模型理論簡化為由多段剛性連桿與扭簧連接而成的等效“多剛體—扭簧”系統(tǒng)，則：

a).在所述橫向彈片(7)中，所述撲動傳動部(8)等效為連桿l₁₁；

在所述橫向彈片左側(cè)小剛度段中，所述左側(cè)撲動臂支撐部對所述橫向彈片(7)形成支撐，在所述撲動傳動部(8)的左端與所述左側(cè)撲動臂支撐部之間的部位等效為扭簧K₁₁，所述左側(cè)撲動臂支撐部等效為扭簧K₁₃；所述撲動傳動部(8)的左端與所述扭簧K₁₁之間等效為連桿l₁₂，所述扭簧K₁₃與所述扭簧K₁₁之間部位等效為連桿l₁₄，所述左側(cè)撲動臂(9)部位等效為連桿l₁₆；將所述撲動傳動部(8)與所述橫向彈片左側(cè)小剛度段的固定連接等效為連桿l₁₁與連桿l₁₂之間的固定副；

在所述橫向彈片右側(cè)小剛度段中，與所述扭簧K₁₁，所述扭簧K₁₃，所述連桿l₁₂，所述連桿l₁₄，所述連桿l₁₆相對應(yīng)的部位分別等效為扭簧K₁₂，扭簧K₁₄，連桿l₁₃，連桿l₁₅，連桿l₁₇；將所述撲動傳動部(8)與所述橫向彈片右側(cè)小剛度段的固定連接等效為連桿l₁₁與連桿l₁₃之間的固定副；

b).在所述左側(cè)彈片(5)中；

所述左側(cè)彈片大剛度段中，通過所述傳動鏈固定板(11)與所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)固連以保持豎直方向的所述左側(cè)彈片大剛度段部位等效為連桿l₂₁，緊鄰所述連桿l₂₁的上部等效為扭簧K₂₁，位于所述扭簧K₂₁以上部位等效為連桿l₂₂；

所述左側(cè)彈片小剛度段中，所述左側(cè)撲動臂支撐部等效為扭簧K₂₃；在所述扭簧K₂₃與所述連桿l₂₂之間的部位等效為扭簧K₂₂，所述扭簧K₂₂以下部位等效為連桿l₂₃，所述扭簧K₂₂與所述扭簧K₂₃之間部位等效為連桿l₂₄，所述左側(cè)撲動臂(9)部位等效為連桿l₂₅；所述左側(cè)彈片大剛度段與所述左側(cè)彈片小剛度段之間的固定連接等效為連桿l₂₂與連桿l₂₃之間的固定副；

在所述右側(cè)彈片(6)中，與所述連桿l₂₁，所述扭簧K₂₁，所述連桿l₂₂，所述扭簧K₂₂，所述扭簧K₂₃，所述連桿l₂₃，所述連桿l₂₄，所述連桿l₂₅相對應(yīng)的部位分別等效為連桿l₃₁，扭簧K₃₁，連桿l₃₂，扭簧K₃₂，扭簧K₃₃，連桿l₃₃，連桿l₃₄，連桿l₃₅；所述右側(cè)彈片大剛度段與所述右側(cè)彈片小剛度段之間的固定連接等效為連桿l₃₂與連桿l₃₃之間的固定副；

將所述左側(cè)撲動臂(9)等效為所述連桿l₂₅與所述連桿l₁₆的相切固聯(lián)；將所述右側(cè)撲動臂(10)等效為所述連桿l₃₅與所述連桿l₁₇的相切固聯(lián)；以此模擬所述分布柔度式傳動鏈中的“人”字形連接結(jié)構(gòu)；以及保持豎直方向與所述撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝架(3)固聯(lián)的所述連桿l₂₁和所述連桿l₃₁，從而使所述分布柔度式傳動鏈形成“門”字形的等效“多剛體—扭簧”系統(tǒng)；

c.依據(jù)分布載荷與集中載荷之間的等效轉(zhuǎn)化原則，將所述撲動翼(2)在運(yùn)動過程中所受沿?fù)鋭悠矫娴臍鈩虞d荷等效為作用在其壓力中心的集中氣動阻力F_wing；所述集中氣動阻力F_wing位于所述撲動翼的撲動平面內(nèi)，且與所述撲動翼的展向垂直，與所述撲動翼的運(yùn)動方向相反；依據(jù)“葉素理論”通過片條積分的方式求取撲動翼(2)在不同位置和運(yùn)動狀態(tài)下的氣動阻尼系數(shù)以及壓力中心與翼根軸線之間的距離l_aero；利用剛性桿l_wing模擬所述撲動翼(2)的質(zhì)量特性，其中所述剛性桿l_wing的質(zhì)量m_wing與所述撲動翼(2)的真實(shí)質(zhì)量相等，所述剛性桿相對于翼根軸線的轉(zhuǎn)動慣量J_wing與所述撲動翼(2)相對于翼根軸線的真實(shí)轉(zhuǎn)動慣量相等，從而建立撲動翼(2)的等效“質(zhì)量—轉(zhuǎn)動慣量—?dú)鈩幼枘帷毕到y(tǒng)；其中撲動翼(2)的等效集中氣動阻力F_wing及其在撲動翼(2)的翼根處形成的氣動阻尼力矩M_wing的表達(dá)式如下：

M_wing＝F_wing·l_aero

式中：θ_wing為撲動翼(2)的撲動角度，為撲動翼(2)的撲動角速度；氣動阻尼系數(shù)是所述撲動翼的撲動角度θ_wing和撲動角速度的函數(shù)；

d.依據(jù)所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的實(shí)際位置關(guān)系，對壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的所述等效單自由度二階直線振動系統(tǒng)，分布柔度式傳動鏈的所述等效“多剛體—扭簧”系統(tǒng)，撲動翼的所述等效“質(zhì)量—轉(zhuǎn)動慣量—?dú)鈩幼枘帷毕到y(tǒng)進(jìn)行模型組裝，將所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的等效單自由度二階振動系統(tǒng)中的等效質(zhì)量塊M_act,e與所述分布柔度式傳動鏈等效“多剛體—扭簧”系統(tǒng)中的所述連桿l₁₁進(jìn)行固聯(lián)；將一對所述撲動翼等效“質(zhì)量—轉(zhuǎn)動慣量—?dú)鈩幼枘帷毕到y(tǒng)中所述撲動翼(2)的翼根部分別與所述分布柔度式傳動鏈等效“多剛體—扭簧”系統(tǒng)中的所述連桿l₁₆，所述連桿l₂₅，所述連桿l₁₇，所述連桿l₃₅進(jìn)行固聯(lián)，所述左側(cè)撲動翼的根部與所述連桿l₁₆之間的夾角為θ_s，所述右側(cè)撲動翼的根部與所述連桿l₁₇之間的夾角為θ_s，從而可搭建所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的等效“質(zhì)量—轉(zhuǎn)動慣量—彈簧—阻尼”系統(tǒng)；

e.取分所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的等效“質(zhì)量—轉(zhuǎn)動慣量—彈簧—阻尼”系統(tǒng)中如下三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)定義為廣義位移：所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的等效直線位移輸出x_act，所述扭簧K₁₁的轉(zhuǎn)角θ₁₁，所述扭簧K₁₃的轉(zhuǎn)角θ₁₃；據(jù)此定義廣義位移向量q＝[x_act?θ₁₁θ₁₃]^T；定義與廣義位移相對應(yīng)的系統(tǒng)廣義外力向量為：F＝[F_p?0?0]^T；定義系統(tǒng)的左右對稱性運(yùn)動約束為：θ₁₁＝θ₁₂、θ₁₃＝θ₁₄；將q與F代入第二類拉格朗日方程，建立所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的“壓電—結(jié)構(gòu)—流場”耦合整機(jī)動力學(xué)模型的三自由度二階系統(tǒng)受迫振動方程組如下：

式中：M為系統(tǒng)廣義質(zhì)量矩陣，C為系統(tǒng)廣義阻尼矩陣，K系統(tǒng)廣義剛度矩陣；

所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的“壓電—結(jié)構(gòu)—流場”耦合整機(jī)動力學(xué)模型的輸入激勵(lì)為所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的驅(qū)動電壓U，輸出響應(yīng)為撲動翼(2)的撲動角度θ_wing＝θ₁₁+θ₁₃-θ_s，通過數(shù)值求解二階常微分方程組獲取所述撲動翼的撲動角度θ_wing的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)函數(shù)、撲動角速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)函數(shù)、撲動周期T_flap、撲動頻率f_flap與所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的驅(qū)動電壓U之間的關(guān)系；

f.所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的整機(jī)綜合性能優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)取以下三個(gè)：一對所述撲動翼(2)的平均氣動升力所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的整機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率η，所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的整機(jī)質(zhì)量m_total；

一對所述撲動翼的平均氣動升力通過葉素理論獲得，其表達(dá)式如下：

式中：ρ_air為空氣密度，R為所述撲動翼(2)的半展長，c(r)為所述撲動翼(2)弦長在翼展方向的變換函數(shù)，為所述撲動翼(2)在一個(gè)撲動周期內(nèi)的平均升力系數(shù)；

所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的整機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率η通過懸停式撲翼飛行器的撲動翼氣動誘導(dǎo)功率公式與壓電雙晶片的等效電路模型理論獲得，其表達(dá)式如下：

式中：P_lift為所述撲動翼的誘導(dǎo)功率，P_elec為所述壓電雙晶片驅(qū)動器的電功率，U_eff為所述壓電雙晶片驅(qū)動器驅(qū)動電壓U的有效值，Z_eff為所述壓電雙晶片驅(qū)動器的等效阻抗；

優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為：所述分布柔度式傳動鏈的形狀參數(shù)，其包括：所述橫向彈片大剛度段的長度，厚度與寬度，所述橫向彈片小剛度段的長度，厚度與寬度，所述豎向彈片大剛度段的長度，厚度與寬度，所述豎向彈片小剛度段的長度，厚度與寬度，所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的形狀參數(shù)，其包括：所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的壓電陶瓷層厚度t₁與中間層厚度t₂，延伸段厚度t₃，所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的固定端寬度w₂與自由端寬度w₁，所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的驅(qū)動段長度L₂與延伸段長度L₁，所述壓電雙晶片驅(qū)動電壓U；

依據(jù)設(shè)計(jì)要求確定優(yōu)化約束條件：所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的高度，寬度與翼展上限以及所述壓電雙晶片驅(qū)動器(4)的驅(qū)動電壓U的上限；

g.為一對所述撲動翼(2)的平均氣動升力所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換效率η和所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)質(zhì)量的倒數(shù)三個(gè)目標(biāo)函數(shù)引入相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，并對其進(jìn)行線性組合，從而形成一個(gè)統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中：a₁，a₂和a₃為權(quán)重系數(shù)，且a₁+a₂+a₃＝1；S為統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化過程中令其達(dá)到最小值；

權(quán)重系數(shù)的選取原則如下：①若期望飛行器擁有更強(qiáng)的載重能力和機(jī)動性能，則增大a₁；②若期望飛行器擁有更強(qiáng)的續(xù)航能力，則增大a₂；③若期望飛行器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，以便于搭載更多的有效載荷，則同時(shí)增大a₁與a₃；

采用約束優(yōu)化算法對所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化求解，在可行域內(nèi)獲取所述分布柔度式撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。