CN111027135B - 扑翼空气动力情况仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明扑翼空气动力情况仿真方法，包括：把要分析的翼面的运动看成2个运动的合成；根据要分析的翼面的情况，设计一个便于仿真的翼面，便于仿真的翼面由2个几何体组成：内芯、外壳；在仿真软件中建立一个虚拟风洞，把便于仿真的翼面放在虚拟风洞中，把一个物体固定在虚拟风洞中，用一个球铰链连接虚拟风洞中的物体、内芯；让便于仿真的翼面做受迫振动；在仿真软件中得到便于仿真的翼面做受迫振动时的空气动力情况。本发明不需要在进行仿真之前获得扑动过程中翼面攻角变化的规律，不需要在扑动过程中主动改变翼面攻角，能够反映真实昆虫翅膀扑动的空气动力情况，能够对扑翼空气动力情况进行预测。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器领域，具体是扑翼空气动力情况仿真方法。
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，具有高机动性和低能耗的特点。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、民用方面用途广泛。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情况仿真方法存在以下问题:
1、现有的扑翼空气动力情况仿真方法需要在仿真之前获得扑动过程中翼面攻角变化的规律。
2、现有的扑翼空气动力情况仿真方法需要在扑动过程中主动改变翼面攻角，难以反映真实昆虫翅膀扑动的空气动力情况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供了扑翼空气动力情况仿真方法，本发明不需要在仿真之前获得动过程中翼面攻角变化的规律，本发明能够反映真实昆虫翅膀扑动的空气动力情况。
本发明的技术方案是：扑翼空气动力情况仿真方法，步骤如下：
1)把要分析的翼面的运动看成2个运动的合成：
a)整个要分析的翼面围绕一条沿翼展方向的轴线转动改变攻角；
b)整个要分析的翼面围绕一条与改变攻角所绕轴线垂直的轴线拍动。
以一个平行于改变攻角所绕轴线，且平行于拍动所绕轴线的平面作为投影面，在投影面上作出要分析的翼面、改变攻角所绕轴线、拍动所绕轴线的正投影，要分析的翼面的正投影要能够直接反映要分析的翼面的宽度，确定要分析的翼面的正投影的形状、尺寸，确定要分析的翼面、改变攻角所绕轴线、拍动所绕轴线的正投影之间的位置。确定要分析的翼面的质量。确定要分析的翼面的质心至改变攻角所绕轴线距离。确定要分析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、扑动频率。
2)根据要分析的翼面的情况，设计一个便于仿真的翼面。在进行空气动力情况仿真时，便于仿真的翼面的运动由2个运动合成：
a)整个便于仿真的翼面围绕改变攻角所绕轴线转动；
b)整个便于仿真的翼面围绕拍动所绕轴线拍动。
所述的便于仿真的翼面由2个几何体组成：
c)内芯，当内芯的密度均匀时，内芯的质心在改变攻角所绕轴线上；
d)外壳，外壳中有一个形状、尺寸与内芯相同的空腔，外壳把内芯包住。
分别设定内芯、外壳的密度，使得便于仿真的翼面的质量等于要分析的翼面的质量，且便于仿真的翼面的质心至改变攻角所绕轴线距离等于要分析的翼面的质心至改变攻角所绕轴线距离。
以一个平行于改变攻角所绕轴线，且平行于拍动所绕轴线的平面作为投影面，在投影面上作出便于仿真的翼面、改变攻角所绕轴线、拍动所绕轴线的正投影，便于仿真的翼面的正投影要能够直接反映便于仿真的翼面的宽度，便于仿真的翼面、要分析的翼面的正投影的形状、尺寸保证一致，便于仿真的翼面、改变攻角所绕轴线、拍动所绕轴线的正投影之间的位置，与要分析的翼面、改变攻角所绕轴线、拍动所绕轴线的正投影之间的位置保证一致。
3)在仿真软件中建立一个虚拟风洞，空气动力情况仿真在虚拟风洞中进行。把内芯的坐标系原点移动到改变攻角所绕轴线上，且内芯的坐标系原点不能在拍动所绕轴线上。把便于仿真的翼面放在虚拟风洞中。把一个物体固定在虚拟风洞中。用一个球铰链连接虚拟风洞中的物体、内芯，球铰链的一端固定在虚拟风洞中的物体上，另一端固定在内芯上，球铰链的球心要在改变攻角所绕轴线上，且球铰链的球心要在拍动所绕轴线上，内芯可以围绕球铰链的球心转动。给内芯的坐标系原点的运动添加一个约束，使得内芯的坐标系原点仅能在一个通过球铰链的球心，且垂直于拍动所绕轴线的平面内运动。
内芯可以进行的运动由2个运动合成：
a)内芯围绕改变攻角所绕轴线转动；
b)内芯围绕拍动所绕轴线拍动。
外壳随着内芯运动。便于仿真的翼面可以进行的运动由2个运动合成：
c)整个便于仿真的翼面围绕改变攻角所绕轴线转动；
d)整个便于仿真的翼面围绕拍动所绕轴线拍动。
4)在内芯的质心上施加一个回复力矩，当内芯围绕拍动所绕轴线拍动离开平衡位置时，该回复力矩使得内芯有回到平衡位置的倾向；在内芯的质心上再施加一个回复力矩，当内芯围绕改变攻角所绕轴线转动离开平衡位置时，该回复力矩使得内芯有回到平衡位置的倾向。在内芯的质心上施加一个周期性外力矩，即驱动力矩，使得便于仿真的翼面在回复力矩、驱动力矩、空气动力的作用下做受迫振动，驱动力矩的频率等于要分析的扑动频率。分别调整上述的2个回复力矩、1个驱动力矩，使得当便于仿真的翼面做受迫振动时，受迫振动达到稳定状态后，受迫振动的频率等于要分析的扑动频率，且便于仿真的翼面围绕拍动所绕轴线拍动的范围等于要分析的围绕拍动所绕轴线拍动的范围，且便于仿真的翼面围绕改变攻角所绕轴线转动的范围等于要分析的围绕改变攻角所绕轴线转动的范围。
5)在仿真软件中得到便于仿真的翼面做受迫振动时的空气动力情况。便于仿真的翼面做受迫振动时的空气动力情况反映了要分析的翼面的空气动力情况。
本发明有益效果在于：
1、本发明的扑翼空气动力情况仿真方法不需要在进行仿真之前获得扑动过程中翼面攻角变化的规律。
2、本发明的扑翼空气动力情况仿真方法不需要在扑动过程中主动改变翼面攻角，能够反映真实昆虫翅膀扑动的空气动力情况。
3、本发明的扑翼空气动力情况仿真方法能够对扑翼空气动力情况进行预测。
附图说明
图1为要分析的翼面的运动。
图2为便于仿真的翼面的轴测图。
图3为内芯的轴测图。
图4为剖开的外壳的轴测图。
图5为虚拟风洞中的物体、便于仿真的翼面。
图6为球铰链。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的扑翼空气动力情况仿真方法至少包括5个阶段，每个阶段至少包括以下内容：
阶段1：
把要分析的翼面1的运动看成2个运动的合成：
(1)整个要分析的翼面1围绕一条沿翼展方向的轴线转动改变攻角；
(2)整个要分析的翼面1围绕一条与改变攻角所绕轴线2垂直的轴线拍动。
要分析的翼面1的运动如图1所示。
以一个平行于改变攻角所绕轴线2，且平行于拍动所绕轴线3的平面作为投影面，在投影面上作出要分析的翼面1、改变攻角所绕轴线2、拍动所绕轴线3的正投影，要分析的翼面1的正投影要能够直接反映要分析的翼面1的宽度，确定要分析的翼面1的正投影的形状、尺寸，确定要分析的翼面1、改变攻角所绕轴线2、拍动所绕轴线3的正投影之间的位置。确定要分析的翼面1的质量。确定要分析的翼面1的质心至改变攻角所绕轴线2距离。确定要分析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、扑动频率。
阶段2：
根据要分析的翼面1的情况，设计一个便于仿真的翼面4。在进行空气动力情况仿真时，便于仿真的翼面4的运动由2个运动合成：
(1)整个便于仿真的翼面4围绕改变攻角所绕轴线2转动；
(2)整个便于仿真的翼面4围绕拍动所绕轴线3拍动。
便于仿真的翼面4如图2所示。便于仿真的翼面4由2个几何体组成：
(1)内芯5，当内芯5的密度均匀时，内芯5的质心在改变攻角所绕轴线2上；内芯5如图3所示；
(2)外壳6，外壳6中有一个形状、尺寸与内芯5相同的空腔7，外壳6把内芯5包住；外壳6如图4所示。
分别设定内芯5、外壳6的密度，使得便于仿真的翼面4的质量等于要分析的翼面1的质量，且便于仿真的翼面4的质心至改变攻角所绕轴线2距离等于要分析的翼面1的质心至改变攻角所绕轴线2距离。以一个平行于改变攻角所绕轴线2，且平行于拍动所绕轴线3的平面作为投影面，在投影面上作出便于仿真的翼面4、改变攻角所绕轴线2、拍动所绕轴线3的正投影，便于仿真的翼面4的正投影要能够直接反映便于仿真的翼面4的宽度，便于仿真的翼面4、要分析的翼面1的正投影的形状、尺寸保证一致，便于仿真的翼面4、改变攻角所绕轴线2、拍动所绕轴线3的正投影之间的位置，与要分析的翼面1、改变攻角所绕轴线2、拍动所绕轴线3的正投影之间的位置保证一致。
阶段3：
在仿真软件中建立一个虚拟风洞8，空气动力情况仿真在虚拟风洞8中进行。把内芯5的坐标系原点移动到改变攻角所绕轴线2上，且内芯5的坐标系原点不能在拍动所绕轴线3上。把便于仿真的翼面4放在虚拟风洞8中。把一个物体9固定在虚拟风洞8中。虚拟风洞8中的物体9、便于仿真的翼面4如图5所示。用一个球铰链连接虚拟风洞8中的物体9、内芯5，球铰链的一端固定在虚拟风洞8中的物体9上，另一端固定在内芯5上，球铰链的球心要在改变攻角所绕轴线2上，且球铰链的球心要在拍动所绕轴线3上，内芯5可以围绕球铰链的球心转动。球铰链如图6所示。给内芯5的坐标系原点的运动添加一个约束，使得内芯5的坐标系原点仅能在一个通过球铰链的球心，且垂直于拍动所绕轴线3的平面内运动。内芯5可以进行的运动由2个运动合成：
(1)内芯5围绕改变攻角所绕轴线2转动；
(2)内芯5围绕拍动所绕轴线3拍动。
外壳6随着内芯5运动。便于仿真的翼面4可以进行的运动由2个运动合成：
(1)整个便于仿真的翼面4围绕改变攻角所绕轴线2转动；
(2)整个便于仿真的翼面4围绕拍动所绕轴线3拍动。
阶段4：
在内芯5的质心上施加一个回复力矩，当内芯5围绕拍动所绕轴线3拍动离开平衡位置时，该回复力矩使得内芯5有回到平衡位置的倾向。在内芯5的质心上再施加一个回复力矩，当内芯5围绕改变攻角所绕轴线2转动离开平衡位置时，该回复力矩使得内芯5有回到平衡位置的倾向。在内芯5的质心上施加一个周期性外力矩，即驱动力矩，使得便于仿真的翼面4在回复力矩、驱动力矩、空气动力的作用下做受迫振动，驱动力矩的频率等于要分析的扑动频率。分别调整上述的2个回复力矩、1个驱动力矩，使得当便于仿真的翼面4做受迫振动时，当受迫振动达到稳定状态时，受迫振动的频率等于要分析的扑动频率，且便于仿真的翼面4围绕拍动所绕轴线3拍动的范围等于要分析的围绕拍动所绕轴线3拍动的范围，且便于仿真的翼面4围绕改变攻角所绕轴线2转动的范围等于要分析的围绕改变攻角所绕轴线2转动的范围。
阶段5：
在仿真软件中得到便于仿真的翼面4做受迫振动时的空气动力情况。便于仿真的翼面4做受迫振动时的空气动力情况反映了要分析的翼面1的空气动力情况。
本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出,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,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.扑翼空气动力情况仿真方法，其特征在于，步骤如下：
1)把要分析的翼面(1)的运动看成2个运动的合成：
a)整个要分析的翼面(1)围绕一条沿翼展方向的轴线转动改变攻角；
b)整个要分析的翼面(1)围绕一条与改变攻角所绕轴线(2)垂直的轴线拍动；
以一个平行于改变攻角所绕轴线(2)，且平行于拍动所绕轴线(3)的平面作为投影面，在投影面上作出要分析的翼面(1)、改变攻角所绕轴线(2)、拍动所绕轴线(3)的正投影，要分析的翼面(1)的正投影要能够直接反映要分析的翼面(1)的宽度，确定要分析的翼面(1)的正投影的形状、尺寸，确定要分析的翼面(1)、改变攻角所绕轴线(2)、拍动所绕轴线(3)的正投影之间的位置；确定要分析的翼面(1)的质量；确定要分析的翼面(1)的质心至改变攻角所绕轴线(2)距离；确定要分析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、扑动频率；
2)设计一个便于仿真的翼面(4)；在进行空气动力情况仿真时，便于仿真的翼面(4)的运动由2个运动合成：
a)整个便于仿真的翼面(4)围绕改变攻角所绕轴线(2)转动；
b)整个便于仿真的翼面(4)围绕拍动所绕轴线(3)拍动；
所述的便于仿真的翼面(4)由内芯(5)、外壳(6)组成；分别设定内芯(5)、外壳(6)的密度，使得便于仿真的翼面(4)的质量等于要分析的翼面(1)的质量，且便于仿真的翼面(4)的质心至改变攻角所绕轴线(2)距离等于要分析的翼面(1)的质心至改变攻角所绕轴线(2)距离；
以一个平行于改变攻角所绕轴线(2)，且平行于拍动所绕轴线(3)的平面作为投影面，在投影面上作出便于仿真的翼面(4)、改变攻角所绕轴线(2)、拍动所绕轴线(3)的正投影，便于仿真的翼面(4)的正投影要能够直接反映便于仿真的翼面(4)的宽度，便于仿真的翼面(4)、要分析的翼面(1)的正投影的形状、尺寸保证一致，便于仿真的翼面(4)、改变攻角所绕轴线(2)、拍动所绕轴线(3)的正投影之间的位置，与要分析的翼面(1)、改变攻角所绕轴线(2)、拍动所绕轴线(3)的正投影之间的位置保证一致；
3)在仿真软件中建立一个虚拟风洞(8)，空气动力情况仿真在虚拟风洞(8)中进行；把内芯(5)的坐标系原点移动到改变攻角所绕轴线(2)上，且内芯(5)的坐标系原点不能在拍动所绕轴线(3)上；把便于仿真的翼面(4)放在虚拟风洞(8)中；把一个物体(9)固定在虚拟风洞(8)中；用一个球铰链连接虚拟风洞(8)中的物体(9)、内芯(5)；给内芯(5)的坐标系原点的运动添加一个约束，使得内芯(5)的坐标系原点仅能在一个通过球铰链的球心，且垂直于拍动所绕轴线(3)的平面内运动；外壳(6)随着内芯(5)运动；
4)在内芯(5)的质心上施加一个回复力矩，当内芯(5)围绕拍动所绕轴线(3)拍动离开平衡位置时，该回复力矩使得内芯(5)有回到平衡位置的倾向；在内芯(5)的质心上再施加一个回复力矩，当内芯(5)围绕改变攻角所绕轴线(2)转动离开平衡位置时，该回复力矩使得内芯(5)有回到平衡位置的倾向；在内芯(5)的质心上施加一个周期性外力矩，即驱动力矩，使得便于仿真的翼面(4)在回复力矩、驱动力矩、空气动力的作用下做受迫振动，驱动力矩的频率等于要分析的扑动频率；分别调整上述的2个回复力矩、1个驱动力矩，使得当便于仿真的翼面(4)做受迫振动时，受迫振动达到稳定状态后，受迫振动的频率等于要分析的扑动频率，且便于仿真的翼面(4)围绕拍动所绕轴线(3)拍动的范围等于要分析的围绕拍动所绕轴线(3)拍动的范围，且便于仿真的翼面(4)围绕改变攻角所绕轴线(2)转动的范围等于要分析的围绕改变攻角所绕轴线(2)转动的范围；
5)在仿真软件中得到便于仿真的翼面(4)做受迫振动时的空气动力情况；便于仿真的翼面(4)做受迫振动时的空气动力情况反映了要分析的翼面(1)的空气动力情况。
2.根据权利要求1所述的扑翼空气动力情况仿真方法，其特征在于，当所述的内芯(5)的密度均匀时，内芯(5)的质心在改变攻角所绕轴线(2)上。
3.根据权利要求1所述的扑翼空气动力情况仿真方法，其特征在于，所述的外壳(6)中有一个形状、尺寸与内芯(5)相同的空腔(7)，外壳(6)把内芯(5)包住。
4.根据权利要求1所述的扑翼空气动力情况仿真方法，其特征在于，所述的球铰链的一端固定在虚拟风洞(8)中的物体(9)上，另一端固定在内芯(5)上，球铰链的球心要在改变攻角所绕轴线(2)上，且球铰链的球心要在拍动所绕轴线(3)上。
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