论文总字数：30684字

摘 要

扑翼飞行器是一种模仿自然界中鸟翅翼扇动通过非定常空气动力学产生升力和推力的新型飞行器。由于其良好的隐蔽性和其拥有比传统旋翼飞行器更优异的飞行性能，以及其在军用和民用领域具有非常广泛的应用前景，因此，在国内外受到广泛的关注，成为了研究的热点领域。

本文首先简要介绍了微飞行器的定义，背景以及分类，着重介绍了微型扑翼飞行器目前国内外研究的现状和其发展的历程，并介绍了目前在研究微型扑翼飞行器领域存在的技术难点。随后，从鸟飞行的高升力的原理介绍出发，分析了鸟扑翼飞行的各个阶段，并根据生物飞行的气动理论和尺度效应，确定了扑翼飞行器的总体尺寸和扑翼参数。

接着，通过分析现有的扑翼飞行器驱动方式，选择了双曲柄双摇杆机构，并在此基础上通过附加四连杆运动实现折叠运动，并以扑翼参数确定了六连杆机构的连杆尺寸。然后，介绍了翅翼，尾翼，传动机构，机架的设计原理和最终的设计成果，并利用solidworks对零件进行建模和装配。最后，利用gambit，fluent，tecplot得到纯扑动形式下所需要的速度云图，压力云图和升阻力系数图，以此来分析扑翼飞行器飞行时的气动特性。

结构方面，通过干涉检验，所设计的扑翼飞行器无零件干涉现象，两级翼的运动均符合预期要求，因此，所设计的结构是可行的。气动特性方面，通过气动分析和公式计算，得到纯扑动下的最大升力为1.2N,最大推力为0.1N,而飞行器重量为1N,能实现前进和上升，因此，所设计的扑翼飞行器能够实现预期的飞行要求，但难以实现持续飞行，其扑动和翅翼方案的设计仍需改善。

关键词：扑翼飞行器，双曲柄双摇杆机构，折叠，气动分析

Abstract

The flapping wing aircraft is a new type of aircraft that simulates the wing-wing fan in nature and generates lift and thrust through unsteady aerodynamics. Because of its good concealment, its superior flight performance compared with traditional rotorcraft, and its very wide application prospects in the military and civilian fields, it has received extensive attention at home and abroad and has become a hot research field.

This paper first briefly introduces the definition, background and classification of micro-aircraft. It focuses on the current research status and development process of micro-flapping aircraft at home and abroad, and introduces the technical difficulties in the field of micro-flapping aircraft. Then, based on the introduction of the principle of high lift of bird flight, the various stages of bird flapping flight were analyzed. According to the aerodynamic theory and scale effect of biological flight, the overall size and flapping parameters of the flapping wing aircraft were determined.

Then, by analyzing the existing flapping-wing aircraft driving method, the double-crank double rocker mechanism was selected, and on this basis, the folding motion was realized by adding four-bar linkage movement, and the connection of the six-bar linkage mechanism was determined by flapping wing parameters. Rod size. Then, the design principles and the final design results of the wings, the fins, the transmission mechanism, the frame are introduced, and the parts are modeled and assembled using solidworks. Finally, the gambit, fluent, and tecplot were used to obtain the speed cloud map, pressure cloud map, and lift resistance coefficient map required in the pure flutter pattern, to analyze the aerodynamic characteristics of the flapping wing aircraft during flight.

In terms of structure, through the interference test, the designed flapping-wing aircraft has no part interference phenomenon, and the movement of the two-stage wing meets the expected requirements. Therefore, the designed structure is feasible. In terms of aerodynamic characteristics, the maximum lifting force under pure flutter is 1.2N, the maximum thrust is 0.1N, and the weight of the aircraft is 1N, which can be advanced and increased by aerodynamic analysis and formula calculation. Therefore, the designed flapping-wing aircraft can To achieve the desired flight requirements, but it is difficult to achieve continuous flight, the design of its flutter and wings plan still needs improvement.

KEY WORDS: Wingcraft, double crank double rocker mechanism, folding, aerodynamic analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 微型飞行器简介 1

1.2.1 微型飞行器的定义和分类 1

1.2.2 微型扑翼飞行器的应用前景 2

1.3 微型扑翼飞行器国内外研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 4

1.4 微型扑翼飞行器技术难点 5

1.5 本文主要研究内容 5

第二章 扑翼飞行器尺寸和参数的设计与驱动机构设计 7

2.1 引言 7

2.2 鸟类扑翼飞行机理 7

2.3 扑翼飞行器设计参数确定 9

2.3.1 外形总体尺寸确定 9

2.3.2 扑翼参数的确定 10

2.4 常见的纯扑动驱动方式分析 11

2.5 纯扑动驱动方案和尺寸设计 13

2.6 折叠驱动方案和尺寸设计 14

2.7 本章小结 16

第三章 扑翼飞行器结构设计 17

3.1 引言 17

3.2 翅翼结构设计 17

3.3 尾翼结构设计 18

3.4 传动机构设计和电机选择 18

3.4.1 传动机构设计 18

3.4.2 电机选择 19

3.5 机身结构尺寸设计 20

3.6 整机建模 20

3.7 本章小结 21

第四章 扑翼飞行器气动特性研究 22

4.1 引言 22

4.2 扑翼模型的建立 22

4.3 数值方法与扑翼模型的运动方程 22

4.4 气动特性分析 23

4.4.1 建立计算模型 23

4.4.2 网格划分 24

4.4.3 Fluent参数设定与求解 24

4.4.4 纯扑动与气动特性分析 25

4.5 本章小结 28

第五章 结论 30

致 谢 31

参考文献 32

绪论

课题研究的背景和意义

在天空中自由的飞翔，是人们自古以来的梦想，起初，人们想通过学习鸟类来实现自己的飞行梦，由于理论与技术的问题，研制出模仿鸟类飞行的扑翼飞行器难度很大，在强度，质量和空气动力方面都有很大的问题，因此，人么将研究飞行的方向转到了固定翼飞行。二十世纪初，第一架飞机在莱特兄弟的不懈钻研和努力下面世了，并在北卡莱纳州试飞成功，人们第一次成功地飞上了天空，随着技术的发展和研究的深入，人类研制出了各种各样的飞机，无论是从安全性，载重性，还是速度方面，都有了质的提高，但是其体积和重量也越来越大。随着20世纪末发展起来的微机械电子系统，使得飞行器轻量化和小型化成为了可能。由于当时只是研究的初级阶段，并没有得到足够多的重视，且由于基础理论还未成熟，因此其发展非常缓慢。“1992年，美国军事组织RAND公司首次提出了微型扑翼飞行器的概念，由于其源于RAND公司给美国防预研部的研究报告之中，因此受到了美国政府的重视，并逐渐成为科学家们的研究热点领域[1]，”起初，微飞行器采用的是固定翼与旋翼的方案，随着尺寸缩减，无论是旋翼还是固定翼，均产生了空气动力学与升力太小的问题，人们又把目光瞄准了鸟类的飞行。鸟类是经过漫长的进化后，才达到了如今如此自由地在天空中飞翔，并且其滑翔，悬停，起飞等无不展现了其优秀地飞行本领，从它们的迁徙和扑食中，充分展现出其飞行效率之高，灵活性之好，目前的飞行器还能以达到如此程度。随着非定常空气动力学的发展，多种扑翼飞行器样机的面世，我们在模仿鸟类飞行上取得了巨大的进步。

“仿生扑翼飞行器是一种以扑翼方式为主要运动方式，以非定常空气学为基础产生升力推力，模仿鸟类飞行姿态以实现各种复杂飞行的新型飞行器[2]。”对于扑翼飞行器的研究将会使得飞行器的质量更轻，体积更小，而且扑翼飞行器的设计依从仿生学，将会使得飞行器的外形和飞行运动更加形式鸟类，使得能以小功率电机带来大升力，大推动力，而且其灵活性和操作性相比原飞行器能得到提高，实现滑翔，悬停等高难度飞行动作，扑翼飞行器的研究将使得飞行器拥有更加出色的飞行性能，能在更加复杂恶劣飞行环境下完成高难度任务，在民用和军事领域上均有非常广阔的应用前景。

微型飞行器简介

微型飞行器的定义和分类

“微型飞行器是一种能自主飞行，可实现实时成像，导航和通信功能，并具备足够小的外形（各项尺寸小于150mm，重量10-100g）足够的巡航能力（1-10km）及巡航速度（30-60km/h），续航时间（20-60min），内可实现有效载荷的一种飞行器[3]。”

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