论文总字数：22168字

摘 要

微型扑翼机器人由于其极小的尺寸、高度的灵活性、更好的操控性而深得各国科学家和学者们的青睐。扑翼机器人在救援、勘测、搜寻等领域存在巨大的潜在应用，可以进入更危险更狭窄的空间，完成以往人们无法完成的任务。

本文对微型扑翼进行空气动力学建模，利用Fluent流体分析软件对扑翼进行仿真。

建立二维扑翼模型、三维模型以及柔性扑翼模型。对二维扑翼进行仿真，分析它的升力和阻力以及运动过程中的速度和压力的变化。利用ICEM前处理软件划分网格，动网格技术，自定义UDF运动函数，包括俯仰运动和升沉运动，在Fluent中进行非定常空气动力学仿真分析，输出升力、阻力系数图以及速度云图，压力云图，利用CFD-Post后处理生成扑翼周期内的运动动画。

分别探究微型扑翼的拍动角、扑动频率和来流速度对扑翼所受升力和阻力的影响。

关键词：微型扑翼，气动建模，fluent仿真，升力、阻力系数，速度云图

Abstract

The micro-flapping-wing robots have won the favor of scientists and scholars because of their very small size, high flexibility and better handling. Flapping robots in the rescue, survey, search and other fields have a huge potential application. They can enter a more dangerous and narrower space, to complete tasks people can’t accomplish previously.

In this paper, the aerodynamic model of micro flapping wing is established, and the simulation of flapping wing is carried out by using Fluent fluid analysis software.

Two-dimensional flapping wing model, three-dimensional model and flexible flapping wing model are established. The two-dimensional flapping wing is simulated to analyze its lift and drag force, as well as the change of velocity and pressure in the course of motion. Using ICEM pre-processing software to divide grids, dynamic grids technology, custom UDF motion function including pitch motion and heave motion, unsteady aerodynamic simulation analysis is carried out in Fluent, lift, drag coefficient diagram, velocity cloud and pressure cloud are output, and motion animation in flapping period is generated by CFD-Post post-processing.

The effects of flapping angle, flapping frequency and inflow velocity on the lift and drag of flapping wing were investigated.

KEY WORDS: Micro Flapping Wing, Aerodynamic Modeling, Fluent Simulation, Lift,Drag Coefficient, Velocity Cloud

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 1

1.1 扑翼飞行器的研究背景和意义 1

1.2 国内外关于扑翼飞行器的研究现状 1

1.2.1国内外扑翼飞行器样机的研制现状 2

1.2.2国内外气动理论研究现状 4

1.3 扑翼飞行器研究的重难点 4

第二章 扑翼飞行机理的研究调查 6

2.1鸟类飞行方式研究 6

2.2 昆虫类飞行方式研究 7

2.3 扑翼飞行原理 7

2.4 扑翼高升力获取方式调查 9

第三章 微型仿生扑翼飞行器的气动建模 10

3.1 刚性建模 10

3.2 柔性建模 11

3.3 研究方法 12

第四章 微型仿生扑翼飞行器的仿真分析 13

4.1 fluent仿真软件介绍 13

4.2二维扑翼稳态仿真分析 13

4.3 三维扑翼稳态仿真分析 17

4.4 二维扑翼瞬态仿真分析 20

4.4.1 模型构建 20

4.4.2 网格划分 20

4.4.3 fluent设置 21

第五章 结果分析与总结 26

5.1来流速度对升力、阻力的影响 26

5.2拍动频率对升力、阻力系数的影响 28

5.3拍动幅值对升力阻力的影响 29

5.4 扑翼的云图分析 30

5.4.1静压云图分析 30

5.4.2速度云图分析 31

5.5总结与展望 32

参考文献 34

致 谢 36

绪论

扑翼飞行器的研究背景和意义

鸟，昆虫还有海豚等生物，已经进化和使用扑翼系统的推力和升力数百万年。他们超强的飞行能力在很久以前就引起了关注。我国古代，在春秋战国时期就开始对于鸟儿扑动翅膀在空中自由飞翔有着很大的兴趣，希望能了解甚至模仿鸟类的飞行。飞行之梦，亘古恒长。但时至今日，飞行仍有许多不解之谜。因此，了解它们潜在的空气/水动力学特性本身具有重要意义。近年来，中外各国对于开发和研制微型飞行器的热情又逐渐高涨，因此微型飞行器和微型机器人的发展态势都是非常良好的。国际上对于微型飞行器尺寸没有一个明确地定义，但是就隐蔽性与灵活度而言，尺寸自然是越小越好。目前国内外研究的微型飞行器，在各个方向上的尺寸都不超过15厘米。微型飞行器（MAV）[1]一般有三种，分别是固定翼飞行器、旋翼飞行器和扑翼飞行器，这三种飞行器的特点各不相同。其中，微型扑翼飞行器是一种新型飞行器，其主要是特点是完全模仿鸟类或昆虫飞行特征，靠着两个翅翼的扑动提供升力和推力进行运动，这也是微型飞行器未来发展的一个大的趋势。固定翼和旋翼飞行器都存在诸多缺陷，与固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器的机动性和灵活性都更好，因此，当今世界对于扑翼飞行器更加重视，各国都在微型扑翼飞行展开了深入的研究。

微型扑翼飞行器有着明显的优势：灵活度高、隐蔽性强、机动性好，因此在军用方面有着巨大的意义。同时，也有交通监管、宇航探险、野外探险等作用。因此也具备了很高的民用价值。它有着诱人的应用前景以及使用价值，所以它的未来发展前景被各方看好。在我看来，对于微型飞行器的研究意义，不仅在于飞行器本身，还有研究过程中综合了空气动力学、电子、机械、制造、材料、能源、控制、计算机等诸多学科领域，对于各个行业的发展都是大有裨益的。

国内外关于扑翼飞行器的研究现状

就目前而言，仿生扑翼飞行器的飞行能力还显得非常笨拙,和自然界中现有的昆虫、鸟类相比差距甚远。但是扑翼飞行器的发展才是起步阶段，因此它的发展速度肯定是会受到制约的。目前看来，美国的扑翼飞行器的发展是领先于全世界的。加州技术学院研制的MicroBat以及斯坦福研究中心（SRI）的Mentor[2]，都是现有阶段下比较出色的微型扑翼飞行器。和传统的固定翼和旋翼相比，扑翼飞行的机理复杂的多，因为人们对于这一领域的认知还处在一个空白阶段。现阶段无论是欧美国家或者是我国，都是从生物流体力学或仿生学的角度入手，对扑翼飞行展开研究。国内外很多知名专家都在这些方面都做出了大量的贡献。针对扑翼的非定常气动特性计算，一般采用面元法、涡格法或者N-S方程等方法。

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