基于有限刚体元方法的微扑翼飞行器柔性翅翼建模与分析

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仿生微扑翼飞行器具有携带方便、操作简单、便于起飞和着陆、隐蔽性好、机动灵活等优点,在军事和民用领域有广泛的用途。近年来仿生微扑翼飞行器的研究引起了国内外学者的广泛关注。在鸟类和昆虫的扑翼动作中,由于外加气动力的作用和翅翼自身的运动规律,翅翼的变形非常大。为了更好的模拟鸟类和昆虫的飞行,翅翼一般应当具有较大的柔性,在拍打过程中能够产生比较大的变形,以存储和节省能量。为此,通常利用柔性材料来制作翅翼。然而,现有的柔性体建模分析方法一般都需要使用专用的商业软件和复杂的建模和数据分析技巧。因此,寻找一种建模简单、运算效率高的建模方法是目前柔性体研究中一个有待解决的问题。本文应用了有限刚体元方法对柔性翅翼进行建模和分析。通过与应用ANSYS建模分析的结果进行对比,结果表明:有限刚体元方法是一种简单有效的大柔性翅翼的分析方法。本文的研究结果表明:翅翼的拍动频率越大,柔性翅翼的变形幅度越小;而电机的输入转矩对变形的影响很小;靠近尾缘的翅翼变形一直大于靠近前缘的翅翼变形。随着拍动频率的增大,柔性翅翼的运动稳定性成为一个突出的问题。通过计算最大Lyapunov指数和作系统的相图及Poincare映射图发现:在微扑翼飞行器柔性翅翼运动中存在有混沌现象,并且随着拍动频率的增加混沌现象越来越明显。
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