扑翼空气动力特性高精度仿真方法与流程

本发明涉及飞行器领域，具体是一种扑翼空气动力特性高精度仿真方法。

背景技术：

自然界中能够飞行的昆虫、鸟类、蝙蝠都采用扑翼飞行，具有机动性高、能耗低的特点。扑翼飞行器是有别于固定翼飞行器、旋翼飞行器的飞行器，它是采用昆虫、鸟类、蝙蝠飞行方式的飞行器，在军用、民用领域前景广阔。已经有多种扑翼飞行器被研制出来，例如韩国建国大学的“kubeetle”扑翼飞行器。

现有的扑翼空气动力特性仿真方法存在以下问题：

1、现有的扑翼空气动力特性仿真方法难以体现惯性力对机翼运动规律的影响。

2、现有的扑翼空气动力特性仿真方法难以预测扑翼空气动力特性。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供一种扑翼空气动力特性高精度仿真方法，本发明体现了惯性力对机翼运动规律的影响，本发明可以预测扑翼空气动力特性。

本发明的扑翼空气动力特性高精度仿真方法包括以下阶段：

阶段1：

把要仿真的机翼的运动看成2个运动的合成：

（a）整个要仿真的机翼围绕一条翼展方向的轴线转动改变攻角；

（b）整个要仿真的机翼围绕一条与改变攻角所绕轴线垂直的轴线拍动。

确定要仿真的机翼的平面形状。确定要仿真的围绕拍动所绕轴线拍动的范围、围绕改变攻角所绕轴线转动的范围、扑动周期。

阶段2：

根据要仿真的机翼的平面形状，得到要仿真的机翼的长度为l，得到要仿真的机翼的平面形状的面积为s，得到要仿真的机翼的平面形状对于拍动所绕轴线的惯性矩为i。根据l、s，计算出要仿真的机翼的平均宽度为w，使得s=l×w。根据s、i，计算出要仿真的机翼的平面形状对于拍动所绕轴线的惯性半径为r，使得i=s×r2。

根据要仿真的围绕拍动所绕轴线拍动的范围、r，计算出改变攻角所绕轴线上到拍动所绕轴线的距离为r的点的轨迹长度为t1。

阶段3：

根据要仿真的机翼，设计便于仿真的机翼。便于仿真的机翼的运动由2个运动合成：

（a）整个便于仿真的机翼围绕改变攻角所绕轴线转动；

（b）整个便于仿真的机翼按照垂直于改变攻角所绕轴线的方向移动。

便于仿真的机翼是一个直柱体，改变攻角所绕轴线垂直于直柱体的底面，便于仿真的机翼的前缘、后缘在直柱体的侧面，便于仿真的机翼的前缘、后缘之间的距离等于w。

便于仿真的机翼包括：

（a）翼梁，当翼梁的密度均匀时，翼梁的质心在改变攻角所绕轴线上；

（b）翼面，翼面带有空腔，空腔被翼梁填充；

（c）配重，配重嵌在翼面前缘的凹槽中。

阶段4：

在仿真软件中建立虚拟风洞，空气动力特性仿真在虚拟风洞中进行。虚拟风洞的边界由多个面围成，其中2个平面之间的距离等于直柱体的高。把便于仿真的机翼放在虚拟风洞中，直柱体的底面要贴在围成虚拟风洞的边界的平面上。把翼梁、翼面、配重的坐标系原点放在改变攻角所绕轴线上。

约束翼梁、翼面、配重，使得翼梁、翼面、配重可以围绕改变攻角所绕轴线转动，使得翼梁、翼面、配重的坐标系原点可以在一条垂直于改变攻角所绕轴线的直线上运动。

阶段5：

分别给翼梁、翼面、配重设置合适的密度。

在翼梁的质心上施加一个回复力，当翼梁按照垂直于改变攻角所绕轴线的方向移动离开平衡位置时，这个回复力可以使翼梁返回平衡位置。在翼梁的质心上施加一个回复力矩，当翼梁围绕改变攻角所绕轴线转动离开平衡位置时，这个回复力矩可以使翼梁返回平衡位置。在翼梁的质心上施加一个周期性外力，即驱动力，使得便于仿真的机翼在驱动力的作用下做受迫振动。分别调整回复力、回复力矩、驱动力，使得受迫振动达到稳定状态时，受迫振动的周期、要仿真的扑动周期一致，便于仿真的机翼围绕改变攻角所绕轴线转动的范围、要仿真的围绕改变攻角所绕轴线转动的范围一致，翼梁的坐标系原点的轨迹长度为t2，t2、t1一致。

阶段6：

在仿真软件中得到便于仿真的机翼做受迫振动时的空气动力特性。便于仿真的机翼做受迫振动时的空气动力特性可以反映要仿真的机翼的空气动力特性。

本发明有益效果在于：

1、本发明中的便于仿真的机翼包括翼梁、翼面、配重，分别给翼梁、翼面、配重设置合适的密度，体现了惯性力对机翼运动规律的影响，提高了仿真结果的精度。

2、本发明的扑翼空气动力特性高精度仿真方法可以预测扑翼空气动力特性。

3、本发明的扑翼空气动力特性高精度仿真方法的仿真结果便于观察。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为要仿真的机翼的运动。

图2为便于仿真的机翼的轴测图。

图3为翼梁的轴测图。

图4为翼面的轴测图。

图5为配重的轴测图。

图6为虚拟风洞、便于仿真的机翼。

图7为便于仿真的机翼的运动。

图中，1为要仿真的机翼，2为改变攻角所绕轴线，3为拍动所绕轴线，4为便于仿真的机翼，5为直柱体的底面，6为翼梁，7为翼面，8为配重，9为空腔，10为凹槽，11为虚拟风洞，12为垂直于攻角所绕轴线的直线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。此处的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例的扑翼空气动力特性高精度仿真方法包括以下阶段：

阶段1：

把要仿真的机翼1的运动看成2个运动的合成：

（a）整个要仿真的机翼1围绕一条翼展方向的轴线转动改变攻角；

（b）整个要仿真的机翼1围绕一条与改变攻角所绕轴线2垂直的轴线拍动。

要仿真的机翼1的运动如图1所示。确定要仿真的机翼1的平面形状的。确定要仿真的围绕拍动所绕轴线3拍动的范围、围绕改变攻角所绕轴线2转动的范围、扑动周期。

阶段2：

根据要仿真的机翼1的平面形状，得到要仿真的机翼1的长度为l，得到要仿真的机翼1的平面形状的面积为s，得到要仿真的机翼1的平面形状对于拍动所绕轴线3的惯性矩为i。根据l、s，计算出要仿真的机翼1的平均宽度为w，使得s=l×w。根据s、i，计算出要仿真的机翼1的平面形状对于拍动所绕轴线3的惯性半径为r，使得i=s×r2。

根据要仿真的围绕拍动所绕轴线3拍动的范围、r，计算出改变攻角所绕轴线2上到拍动所绕轴线3的距离为r的点的轨迹长度为t1。

阶段3：

根据要仿真的机翼1，设计便于仿真的机翼4。便于仿真的机翼4的运动由2个运动合成：

（a）整个便于仿真的机翼4围绕改变攻角所绕轴线2转动；

（b）整个便于仿真的机翼4按照垂直于改变攻角所绕轴线2的方向移动。

便于仿真的机翼4是一个直柱体，改变攻角所绕轴线2垂直于直柱体的底面5，便于仿真的机翼4的前缘、后缘在直柱体的侧面，便于仿真的机翼4的前缘、后缘之间的距离等于w。

便于仿真的机翼4如图2所示。便于仿真的机翼4包括：

（a）翼梁6，当翼梁6的密度均匀时，翼梁6的质心在改变攻角所绕轴线2上；翼梁6如图3所示；

（b）翼面7，翼面7带有空腔9，空腔9被翼梁6填充；翼面7如图4所示；

（c）配重8，配重8嵌在翼面7前缘的凹槽10中；配重8如图5所示。

阶段4：

在仿真软件中建立虚拟风洞11，空气动力特性仿真在虚拟风洞11中进行。虚拟风洞11的边界由多个面围成，其中2个平面之间的距离等于直柱体的高。把便于仿真的机翼4放在虚拟风洞11中，直柱体的底面5要贴在围成虚拟风洞11的边界的平面上。把翼梁6、翼面7、配重8的坐标系原点放在改变攻角所绕轴线2上。虚拟风洞11、便于仿真的机翼4如图6所示。

约束翼梁6、翼面7、配重8，使得翼梁6、翼面7、配重8可以围绕改变攻角所绕轴线2转动，使得翼梁6、翼面7、配重8的坐标系原点可以在一条垂直于改变攻角所绕轴线的直线12上运动。便于仿真的机翼4的运动如图7所示。

阶段5：

分别给翼梁6、翼面7、配重8设置合适的密度。

在翼梁6的质心上施加一个回复力，当翼梁6按照垂直于改变攻角所绕轴线2的方向移动离开平衡位置时，这个回复力可以使翼梁6返回平衡位置。在翼梁6的质心上施加一个回复力矩，当翼梁6围绕改变攻角所绕轴线2转动离开平衡位置时，这个回复力矩可以使翼梁6返回平衡位置。在翼梁6的质心上施加一个周期性外力，即驱动力，使得便于仿真的机翼4在驱动力的作用下做受迫振动。分别调整回复力、回复力矩、驱动力，使得受迫振动达到稳定状态时，受迫振动的周期、要仿真的扑动周期一致，便于仿真的机翼4围绕改变攻角所绕轴线2转动的范围、要仿真的围绕改变攻角所绕轴线2转动的范围一致，翼梁6的坐标系原点的轨迹长度为t2，t2、t1一致。

阶段6：

在仿真软件中得到便于仿真的机翼4做受迫振动时的空气动力特性。便于仿真的机翼4做受迫振动时的空气动力特性可以反映要仿真的机翼1的空气动力特性。

以上所述仅是本发明的优选实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、替换，这些改进、替换也应视为本发明的保护范围。