CN111017208A

CN111017208A - 仿甲虫折叠翼结构及其制作方法

Info

Publication number: CN111017208A
Application number: CN201911304072.4A
Authority: CN
Inventors: 冯伟; 张艳辉; 陈清朋; 刘笑; 张树潇; 冯亚春
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: CN111017208B

Abstract

本发明涉及扑翼式飞行器技术领域，提出了一种仿甲虫折叠翼结构及其制作方法，其中，仿甲虫折叠翼结构包括具有折痕的翼面主体，折痕包括具有向翼面主体的正面翻折趋势的谷折痕组，以及具有向翼面主体的背面翻折趋势的山折痕组；谷折痕组包括第一、第二、第三、第四、第五及第六谷折痕；山折痕组包括第一、第二及第三山折痕。该结构的制作方法包括步骤：对仿甲虫折叠翼结构进行几何建模；基于几何建模铸造适配仿甲虫折叠翼结构的模具；向模具中注入成型材料，热固成型；脱模取出成型的仿甲虫折叠翼结构。通过设置在翼面主体上的谷折痕组和山折痕组的配合，使得该折叠翼结构在具有较高折叠率的同时，还实现了几何尺寸的轻薄化，从而提升了气动性能。

Description

仿甲虫折叠翼结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及扑翼式飞行器的技术领域，更具体地说，是涉及一种仿甲虫折叠翼结构及其制作方法。

背景技术

扑翼式飞行器，以其机动灵活与高能量利用率，渐渐在飞行器领域占有一席之地。飞行器的翼面不仅是升力与推动力来源，而且在飞行的机动灵活与稳定性上起到至关重要的作用。而翼面的材质轻薄，易折损，如能减小其携带时的体积，则能够有效避免翼面损伤。减少体积的方法，一为减小整个翼面尺寸；二为折叠翼面。前者虽能减小翼面，但尺寸效应引起的非定常因素，会给飞行器的升力产生和控制带来障碍。相较而言，折叠翼面则可以在携带时控制体积，在飞行时展开至需求的面积，既满足便携要求，又不影响飞行性能。

折叠结构概念，脱胎于折纸几何，光大于仿生研究。折叠结构已应用于超薄相机棱镜设计、太阳帆设计。衡量折叠结构的性能参数，主要有折叠展开速度和折叠率。其中，折叠率指的是折叠结构在折叠前后的面积比。在各种生物结构中，昆虫翼面以其惊人的折叠率引起人们关注。昆虫翼面折叠，根据折叠方式，可大致分为扇形折叠、展向折叠、弦向折叠和复合折叠。不同折叠方式有着不同的折叠率，隐翅虫翼面采用复杂的复合折叠，折叠率达到惊人的1/20。

近些年来，人们尝试将折叠结构应用于微小飞行器机翼设计中。例如，J.Faber等人设计并加工了一款仿地蜈蚣的折叠结构；Florian等人设计加工了一款仿甲虫翼面的结构。其中，J.Faber等人设计的翼面，采用TPU(Thermoplastic polyurethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)与PLA(polylactic acid，聚乳酸)材料4D打印，模拟了地蜈蚣翼面中翼折叠机理，实现自折叠，但是折叠率不高。Florian等人设计的翼面，结合了三浦折叠和甲虫的折叠模型，实现了自折叠展开，且具有较高的折叠率，但是翼面十分厚重，且需要手动翻开方可实现折叠。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿甲虫折叠翼结构及其制作方法，旨在解决现有技术中，现有仿甲虫翼面结构无法兼具较高折叠率和轻薄化的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种仿甲虫折叠翼结构，包括具有折痕的翼面主体，所述折痕包括具有向所述翼面主体的正面翻折趋势的谷折痕组，以及具有向所述翼面主体的背面翻折趋势的山折痕组；

所述谷折痕组包括由所述翼面主体的一侧边伸出并朝向所述翼面主体的对侧边延伸的第一谷折痕，由所述第一谷折痕末端伸出并朝向所述对侧边延伸的第二谷折痕，由所述翼面主体的一底侧端角伸出并延伸至所述第二谷折痕的末端的第三谷折痕，由所述翼面主体的一底侧端角伸出并延伸至所述第一谷折痕的末端的第四谷折痕，由所述第二谷折痕的末端伸出并朝向所述翼面主体的所述对侧边倾斜延伸且终结于所述对侧边的第五谷折痕，以及由所述第五谷折痕的末端伸出并朝向所述翼面主体的所述一侧边延伸的第六谷折痕；

所述山折痕组包括由所述翼面主体的一邻侧边伸出并终结于所述第六谷折痕末端的第一山折痕，起始于所述第一山折痕末端并终结于所述第二谷折痕与所述第三谷折痕交接处的第二山折痕，以及起始于所述第一山折痕末端并终结于所述第一谷折痕、所述第二谷折痕与所述第四谷折痕的交接处的第三山折痕。

在一实施例中，所述第一谷折痕的起始点为所述翼面主体的所述侧边的中点，所述第一谷折痕垂直于所述侧边。

进一步地，所述第一谷折痕与所述第二谷折痕位于同一直线上，且所述第一山折痕与所述第二山折痕位于同一直线上。

进一步地，所述对侧边与所述第三谷折痕之间夹角的角度等于所述第三谷折痕与所述第四谷折痕之间夹角的角度；且所述第五谷折痕与所述第二山折痕之间夹角的角度等于所述第二山折痕与所述第二谷折痕之间夹角的角度。

进一步地，所述第五谷折痕的长度与所述第二谷折痕的长度相等，且所述第六谷折痕的长度与所述第三山折痕的长度相等。

进一步地，所述第一谷折痕、第二谷折痕、第三谷折痕、第四谷折痕、第五谷折痕、第六谷折痕、第一山折痕、第二山折痕及第三山折痕均为直线折痕。

优选地，所述翼面主体的翼面形状呈矩形。

基于上述技术方案，本发明提供的仿甲虫折叠翼结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的仿甲虫折叠翼结构，通过设置在翼面主体上的谷折痕组和山折痕组的连接配合，将复杂的甲虫翼面进行合理简化，获得了一个具有较高折叠率的折痕图，且使得该折叠翼结构在具有较高折叠率的同时，还实现了几何尺寸的轻薄化，从而提升了气动性能。

本发明实施例还提供了一种仿甲虫折叠翼结构的制作方法，包括步骤：

S1：对仿甲虫折叠翼结构进行几何建模；

S2：基于所述几何建模铸造适配所述仿甲虫折叠翼结构的模具；

S3：向所述模具中注入成型材料，热固成型；

S4：脱模取出成型的仿甲虫折叠翼结构。

在一实施例中，所述模具包括上层模和下层模，所述上层模与所述下层模可拆卸连接并形成有型腔；所述上层模为可溶于水的柔性材质，所述下层模为不溶于水的刚性材质。

进一步地，所述步骤S4包括：将热固成型后的模具置于水中，待所述模具的上层模溶解后，从所述下层模上取下仿甲虫折叠翼结构。

基于上述技术方案，本发明提供的仿甲虫折叠翼结构的制作方法的有益效果在于：与现有技术相比，该仿甲折叠翼结构的制作方法通过提前注模进行折痕设计，达到结构轻量化设计，降低整体结构重量，且翼面采用热固成型工艺进行加工，一次即可成型，提升了加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的仿甲虫折叠翼结构的展开示意图；

图2为本发明实施例提出的仿甲虫折叠翼结构的折叠趋势示意图；

图3为本发明实施例中制作仿甲虫折叠翼结构的模具的剖面示意图；

图4为本发明实施例中仿甲虫折叠翼结构的折叠状态一的示意图；

图5为本发明实施例中仿甲虫折叠翼结构的折叠状态二的示意图；

图6为本发明实施例中仿甲虫折叠翼结构的折叠状态三的示意图。

其中，各附图标记如下：

1-翼面主体；11-折痕；111-谷折痕组；112-山折痕组；1111-第一谷折痕；1112-第二谷折痕；1113-第三谷折痕；1114-第四谷折痕；1115-第五谷折痕；1116-第六谷折痕；1121-第一山折痕；1122-第二山折痕；1123-第三山折痕；2-模具；20-型腔；21-上层模；22-下层模；a-上侧边；b-下侧边；c-右下角；d-左侧边。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1至图6所示，本发明实施例提出了一种仿甲虫折叠翼结构，该结构包括翼面主体1，该翼面主体1上具有折痕11，该折痕11包括谷折痕组111和山折痕组112，这里，谷折痕组111具有向翼面主体1的正面翻折的趋势，山折痕组112具有向翼面主体1的背面翻折的趋势。

如图1所示，上述谷折痕组111包括第一谷折痕1111、第二谷折痕1112、第三谷折痕1113、第四谷折痕1114、第五谷折痕1115和第六谷折痕1116，其中，第一谷折痕1111由翼面主体1的一侧边上伸出，并朝向翼面主体1的对侧边延伸，此处，一侧边指翼面主体1的上侧边a，对侧边指的是翼面主体1的下侧边b，即第一谷折痕1111起始于翼面主体1的上侧边a上，并朝向翼面主体1的下侧边b延伸；第二谷折痕1112由第一谷折痕1111末端伸出并朝向翼面主体1的对侧边延伸，此处，即第二谷折痕1112起始于第一谷折痕1111末端，并朝向翼面主体1的下侧边b延伸；第三谷折痕1113由翼面主体1的一底侧端角伸出，并延伸至第二谷折痕1112末端，此处，一底侧端角指的是翼面主体1的右下角c，即第三谷折痕1113起始于翼面主体1的右下角c，并终结于第二谷折痕1112的末端；第四谷折痕1114由翼面主体1的一底侧端角伸出并延伸至第一谷折痕1111的末端，此处，一底侧端角也指的是翼面主体1的右下角c，即第四谷折痕1114起始于翼面主体1的右下角c并终结于第一谷折痕1111的末端；另外，第五谷折痕1115由第二谷折痕1112的末端伸出，并朝向翼面主体1的一对侧边倾斜延伸，此处，该对侧边指的是翼面主体1的下侧边b，即第五谷折痕1115起始于第二谷折痕1112末端，并终结于翼面主体1的下侧边b上；同时，第六谷折痕1116由第五谷折痕1115末端伸出，并朝向翼面主体1的一侧边延伸，该一侧边指的是翼面主体1的上侧边a，即第六谷折痕1116起始于第五谷折痕1115的末端，并朝向翼面主体1的上侧边a延伸。

上述山折痕组112包括第一山折痕1121、第二山折痕1122以及第三山折痕1123，其中，第一山折痕1121由翼面主体1的一邻侧边伸出，并终结于第六谷折痕1116的末端，此处，一邻侧边指的是翼面主体1的左侧边d，即第一山折痕1121起始于翼面主体1的左侧边d并终结于第六谷折痕1116末端；另外，第二山折痕1122起始于第一山折痕1121的末端，并终结于第二谷折痕1112与第三谷折痕1113的交接处；同时，第三山折痕1123起始于第一山折痕1121的末端，并终结于第一谷折痕1111、第二谷折痕1112与第四谷折痕1114的交接处。如图4至图6，仿甲虫折叠翼结构折叠过程为：先向翼面主体1的正面翻折第一谷折痕1111、第二谷折痕1112、第三谷折痕1113和第五谷折痕1115，与此同时，向翼面主体1的背面翻折第一山折痕1121和第二山折痕1122，接着，将第六谷折痕1116的背面贴向第三山折痕1123的背面，再接着，向翼面主体1的正面同时翻折第四谷折痕1114和第六谷折痕1116。反向之，即展开。

本实施例的仿甲虫折叠翼结构，基于刚性折叠的基础上，结合折纸几何原理，设计了一种较高折叠率，且具有较好气动性能的翼面。具体为：通过设置在翼面主体1上的谷折痕组111和山折痕组112的上述连接配合，将复杂的甲虫翼面合理简化，不仅获得了具有较高折叠率的折痕图，而且使得该折叠翼结构在具有较高折叠率的同时，还实现了几何尺寸的轻薄化，提升了气动性能。

如图1、图2和图4所示，上述第一谷折痕1111的起始点优选为上述翼面主体1的上侧边a的中点，且该第一谷折痕1111垂直于该上侧边a。通过将第一谷折痕1111的起始点设置为上侧边a的中点，并使第一谷折痕1111垂直于该上侧边a，使得翼面主体1在折叠时能够进一步地缩小了几何尺寸，提高了折叠率。当然，根据实际情况和具体需求，在本发明的其他实施例中，还可通过其他方式进一步地缩小翼面主体1折叠后的几何尺寸，此处不作唯一限定。

如图1所示，上述第一谷折痕1111与上述第二谷折痕1112共线，即两者位于同一直线上，并且，上述第一山折痕1121与上述第二山折痕1122也共线，即第一山折痕1121与第二山折痕1122同时位于另一直线上。另外，上述下侧边b与第三谷折痕1113之间夹角的角度等于第三谷折痕1113与上述第四谷折痕1114之间夹角的角度，上述第五谷折痕1115与第二山折痕1122之间夹角的角度等于第二山折痕1122与第二谷折痕1112之间夹角的角度，且翼面主体1的右下角c至第五谷折痕1115末端的距离等于第四谷折痕1114的长度，第五谷折痕1115的长度与第二谷折痕1112的长度相等，第六谷折痕1116的长度等于第三山折痕1123的长度，如此，两组等角设计和三组等长设计，使得翼面主体1的折叠更加紧凑，进一步提升了折叠率。

进一步地，在本实施例中，上述第一谷折痕1111、上述第二谷折痕1112、上述第三谷折痕1113、上述第四谷折痕1114、上述第五谷折痕1115和上述第六谷折痕1116，以及上述第一山折痕1121、上述第二山折痕1122以及上述第三山折痕1123均优选为直线折痕。上述翼面主体1的翼面形状优选呈矩形。

另外，本发明实施例还提出了一种仿甲虫折叠翼结构的制作方法，该制作方法包括如下步骤：

步骤S1：对仿甲虫折叠翼结构进行几何建模。具体步骤为：基于实验观察和折纸几何，对仿甲虫折叠翼结构进行几何建模，得出一种双自由度翼面模式；

步骤S2：基于上述几何建模铸造适配仿甲虫折叠翼结构的模具。具体步骤为：基于上述几何建模铸造出模具，使得该模具的构造适配仿甲虫折叠翼结构；

步骤S3：向上述模具中注入成型材料，热固成型。具体步骤为：在基于上述几何建模铸造模具后，以热固树脂为成型材料，将液态的热固树脂注入模具中，实现材料的定型，热固成型，由此使得翼面具有折痕；

步骤S4：脱模取出成型的仿甲虫折叠翼结构。具体步骤为：将模具分离露出成型的仿甲虫折叠翼结构，取出该仿甲虫折叠翼结构。

本发明实施例提供的仿甲虫折叠翼结构的制作方法，通过提前注模进行折痕设计，达到结构轻量化设计，降低整体结构重量，且翼面采用热固成型工艺进行加工，一次即可成型，提升了加工效率。

参照图3，上述模具2包括上层模21和下层模22，此处，上层模21与下层模22可拆卸连接并形成有型腔20。此处，上层模21为可溶于水的柔性材质，下层模22为不溶于水的刚性材质。这里，将液态热固树脂注入上层模21与下层模22之间的型腔20中，实现材料定型，由此，翼面具有了褶皱与折痕。脱模时，即步骤S4包括：将完成热固成型后的模具置于水中，上层模21在水中溶解，完成脱模，从下层模22上取下成型的仿甲虫折叠翼结构，制作结束。

综上所述，本发明中的仿甲虫折叠翼结构及其制作方法具有如下有益效果：

1)仿甲虫折叠翼结构的翼面主体具有较好的气动性能。相较于现有设计，该翼面主体几何尺寸轻薄，且其表面仿照甲虫翼面设计有折痕纹理，可在翼面主体作为飞行器机翼时具有轻量化的优点，从而可实现飞行中气动性能的保证。

2)仿甲虫折叠翼结构的翼面主体具有较高的折叠率。由于对甲虫翼面折痕进行合理简化，采用了多种翼折叠等折叠机理，使得翼面主体具有较高的折叠率。此处，“翼折叠”也称“折叠翼”，折叠翼是导弹弹翼的一种，此种弹翼通过折叠机构与弹身相连，在导弹发射前可以折叠在弹身内或弹身表面。采用折叠翼的优点，一是缩小导弹的横向尺寸，便于运输和发射，二是节省导弹的储运空间，增加车辆或舰艇的运输能力，提高战斗力。

3)仿甲虫折叠翼结构的翼面主体采用热固成型工艺一次成型，通过提前铸模进行折痕设计，达到结构轻量化设计要求，降低了整体结构重量。现有技术中，对于折翼的加工，多采用机械折翼的方式，通过安装折叠结构实现折翼的折叠，结构复杂，重量大，多采用多翼面拼接的方式制作最终折翼，而本发明中的翼面主体，提前进行折痕设计，然后采用热固成型工艺一次成型，不仅重量轻，而且加工方便快捷。

4)上层模为可溶性模具，成型后，用水可将上层模溶解去除，实现脱模，同时也可实现模具的更改，使得折翼具有多样性，减少了模具的加工成本。

以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，包括具有折痕的翼面主体，所述折痕包括具有向所述翼面主体的正面翻折趋势的谷折痕组，以及具有向所述翼面主体的背面翻折趋势的山折痕组；

2.如权利要求1所述的仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，所述第一谷折痕的起始点为所述翼面主体的所述侧边的中点，所述第一谷折痕垂直于所述侧边。

3.如权利要求2所述的仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，所述第一谷折痕与所述第二谷折痕位于同一直线上，且所述第一山折痕与所述第二山折痕位于同一直线上。

4.如权利要求3所述的仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，所述对侧边与所述第三谷折痕之间夹角的角度等于所述第三谷折痕与所述第四谷折痕之间夹角的角度；且所述第五谷折痕与所述第二山折痕之间夹角的角度等于所述第二山折痕与所述第二谷折痕之间夹角的角度。

5.如权利要求4所述的仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，所述第五谷折痕的长度与所述第二谷折痕的长度相等，且所述第六谷折痕的长度与所述第三山折痕的长度相等。

6.如权利要求1至5任一项所述的仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，所述第一谷折痕、第二谷折痕、第三谷折痕、第四谷折痕、第五谷折痕、第六谷折痕、第一山折痕、第二山折痕及第三山折痕均为直线折痕。

7.如权利要求6所述的仿甲虫折叠翼结构，其特征在于，所述翼面主体的翼面形状呈矩形。

8.一种仿甲虫折叠翼结构的制作方法，其特征在于，所述仿甲虫折叠翼结构为权利要求1至7任一项所述的仿甲虫折叠翼结构，所述制作方法包括步骤：

S1：对仿甲虫折叠翼结构进行几何建模；

S3：向所述模具中注入成型材料，热固成型；

S4：脱模取出成型的仿甲虫折叠翼结构。

9.如权利要求8所述的仿甲虫折叠翼结构的制作方法，其特征在于，所述模具包括上层模和下层模，所述上层模与所述下层模可拆卸连接并形成有型腔；所述上层模为可溶于水的柔性材质，所述下层模为不溶于水的刚性材质。

10.如权利要求9所述的仿甲虫折叠翼结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S4包括：将热固成型后的模具置于水中，待所述模具的上层模溶解后，从所述下层模上取下仿甲虫折叠翼结构。