CN111027183A - 一种扑翼空气动力情况的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种扑翼空气动力情况的仿真方法，包括：把要分析的翼面的运动看成2个运动的合成；得到要分析的翼面的情况；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，虚拟风洞由多个面围成，其中至少有2个面是平面，这2个平面互相平行，把便于仿真的翼面放在虚拟风洞中；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，计算量小，仿真的结果便于观察。

Description

一种扑翼空气动力情况的仿真方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体是一种扑翼空气动力情况的仿真方法。

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的仿真方法存在以下问题:

1、现有的扑翼空气动力情况的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的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：克服现有技术的不足，提供了一种扑翼空气动力情况的仿真方法，不需要在仿真之前获得扑动过程中翼面攻角变化的规律，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：一种扑翼空气动力情况的仿真方法，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为D₁。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正投影的形状、尺寸，得到要分析的翼面的长度为L，得到要分析的翼面的宽度为W₁，得到要分析的翼面的正投影面积为S_翼，计算出要分析的翼面的平均宽度为W₂，使得W₂与L的乘积等于S_翼。根据要分析的翼面的正投影的形状、尺寸，要分析的翼面、改变攻角所绕轴线的正投影之间的位置，得到要分析的翼面的前缘与改变攻角所绕轴线之间的翼面的正投影面积为S_前。根据S_前、S_翼，计算出S_前与S_翼的比值为a。根据D₁、W₁，计算出D₁与W₁的比值为b。根据要分析的翼面的正投影的形状、尺寸，要分析的翼面、拍动所绕轴线的正投影之间的位置，得到要分析的翼面的正投影对于拍动所绕轴线的正投影的惯性矩为I。得到I的方法：把要分析的翼面的正投影分成若干个微元，得到各微元的面积、得到各微元至拍动所绕轴线的正投影的距离的二次方，它们的乘积的积分为I。根据S_翼、I，计算出一个参考距离为D_参，使得S_翼×(D_参)²＝I。

根据要分析的围绕拍动所绕轴线拍动的范围、D_参，得到改变攻角所绕轴线上至拍动所绕轴线距离为D_参的点在拍动时能够划出的圆弧的弧长为C_弧。

3)根据要分析的翼面的情况，设计便于仿真的翼面。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沿着垂直于改变攻角所绕轴线的方向移动。

所述的便于仿真的翼面为一个直柱体，改变攻角所绕轴线垂直于直柱体的底面，便于仿真的翼面的前缘、后缘在直柱体的侧面，便于仿真的翼面的前缘、后缘之间的距离等于W₂，便于仿真的翼面的前缘至改变攻角所绕轴线距离为D_前，D_前与W₂的比值要等于a。

所述的便于仿真分析的翼面由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，便于仿真的翼面的质心至改变攻角所绕轴线距离为D₂，D₂与W₂的比值要等于b。

4)在仿真软件中建立虚拟风洞，空气动力情况仿真在虚拟风洞中进行。虚拟风洞由多个面围成，其中至少有2个面是平面，这2个平面互相平行，这2个平面之间的距离等于直柱体的高。把内芯的坐标系原点移动到改变攻角所绕轴线上；把便于仿真的翼面放在虚拟风洞中，直柱体的2个底面都要贴在围成虚拟风洞的平面上。

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)内芯的坐标系原点在垂直于改变攻角所绕轴线的直线上移动。

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沿着垂直于改变攻角所绕轴线的方向移动。

5)在内芯的质心上施加一个回复力，当内芯沿着垂直于改变攻角所绕轴线的方向移动离开平衡位置时，该回复力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，即驱动力，使得便于仿真的翼面在回复力、回复力矩、驱动力、空气动力的作用下做受迫振动，驱动力的频率等于要分析的扑动频率。当便于仿真的翼面做受迫振动时，内芯的坐标系原点划出的线段的长度为C_线。分别调整上述的回复力、回复力矩、驱动力，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，且C_线等于C_弧。

6)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的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的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的仿真方法的计算量小，仿真的结果便于观察。

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为把便于仿真的翼面放在虚拟风洞中。

图6为便于仿真的翼面的运动。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种扑翼空气动力情况的仿真方法，本发明不需要在仿真之前获得扑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。

本发明一种扑翼空气动力情况的仿真方法至少包括6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距离为D₁。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的正投影的形状、尺寸，得到要分析的翼面1的长度为L，得到要分析的翼面1的宽度为W₁，得到要分析的翼面1的正投影面积为S_翼，计算出要分析的翼面1的平均宽度为W₂，使得W₂与L的乘积等于S_翼。根据要分析的翼面1的正投影的形状、尺寸，要分析的翼面1、改变攻角所绕轴线2的正投影之间的位置，得到要分析的翼面1的前缘与改变攻角所绕轴线2之间的翼面的正投影面积为S_前。根据S_前、S_翼，计算出S_前与S_翼的比值为a。根据D₁、W₁，计算出D₁与W₁的比值为b。根据要分析的翼面1的正投影的形状、尺寸，要分析的翼面1、拍动所绕轴线3的正投影之间的位置，得到要分析的翼面1的正投影对于拍动所绕轴线3的正投影的惯性矩为I。得到I的方法：把要分析的翼面1的正投影分成若干个微元，得到各微元的面积、得到各微元至拍动所绕轴线3的正投影的距离的二次方，它们的乘积的积分为I。根据S_翼、I，计算出一个参考距离为D_参，使得S_翼×(D_参)²＝I。

根据要分析的围绕拍动所绕轴线3拍动的范围、D_参，计算出改变攻角所绕轴线2上至拍动所绕轴线3距离为D_参的点在拍动时能够划出的圆弧的弧长为C_弧。

阶段3：

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沿着垂直于改变攻角所绕轴线2的方向移动。

所述的便于仿真的翼面4为一个直柱体，改变攻角所绕轴线2垂直于直柱体的底面5，便于仿真的翼面4的前缘、后缘在直柱体的侧面，便于仿真的翼面4的前缘、后缘之间的距离等于W₂，便于仿真的翼面4的前缘至改变攻角所绕轴线2距离为D_前，D_前与W₂的比值要等于a。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6，当内芯6的密度均匀时，内芯6的质心在改变攻角所绕轴线2上；内芯6如图3所示；

(2)外壳7，外壳7中有一个形状、尺寸与内芯6相同的空腔8，外壳7把内芯6包住；外壳7如图4所示。

给内芯6赋予一个合适的密度，给外壳7赋予一个合适的密度，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，便于仿真的翼面4的质心至改变攻角所绕轴线2距离为D₂，D₂与W₂的比值要等于b。

阶段4：

在仿真软件中建立一个虚拟风洞9，空气动力情况仿真在虚拟风洞9中进行。虚拟风洞9由多个面围成，其中至少有2个面是平面，这2个平面互相平行，这2个平面之间的距离等于直柱体的高。把内芯6的坐标系原点移动到改变攻角所绕轴线2上。把便于仿真的翼面4放在虚拟风洞9中，直柱体的2个底面5都要贴在围成虚拟风洞9的平面上，如图5所示。内芯6可以进行的运动由2个运动合成：

(1)内芯6围绕改变攻角所绕轴线2转动；

(2)内芯6的坐标系原点在垂直于改变攻角所绕轴线2的直线10上移动。

外壳7随着内芯6运动。便于仿真的翼面4可以进行的运动由2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沿着垂直于改变攻角所绕轴线2的方向移动。

便于仿真的翼面4的运动如图6所示。

阶段5：

在内芯6的质心上施加一个回复力，当内芯6沿着垂直于改变攻角所绕轴线2的方向移动离开平衡位置时，该回复力使得内芯6有回到平衡位置的倾向。在内芯6的质心上施加一个回复力矩，当内芯6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6有回到平衡位置的倾向。在内芯6的质心上施加一个周期性外力，即驱动力，使得便于仿真的翼面4在回复力、回复力矩、驱动力、空气动力的作用下做受迫振动，驱动力的频率等于要分析的扑动频率。当便于仿真的翼面4做受迫振动时，内芯6的坐标系原点能够划出的线段的长度为C_线。分别调整上述的回复力、回复力矩、驱动力，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，且C_线等于C_弧。

阶段6：

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)

1.一种扑翼空气动力情况的仿真方法，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)距离为D₁；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)根据要分析的翼面(1)的正投影的形状、尺寸，得到要分析的翼面(1)的长度为L，得到要分析的翼面(1)的宽度为W₁，得到要分析的翼面(1)的正投影面积为S_翼，计算出要分析的翼面(1)的平均宽度为W₂，使得W₂与L的乘积等于S_翼；根据要分析的翼面(1)的正投影的形状、尺寸，要分析的翼面(1)、改变攻角所绕轴线(2)的正投影之间的位置，得到要分析的翼面(1)的前缘与改变攻角所绕轴线(2)之间的翼面的正投影面积为S_前；根据S_前、S_翼，计算出S_前与S_翼的比值为a；根据D₁、W₁，计算出D₁与W₁的比值为b；根据要分析的翼面(1)的正投影的形状、尺寸，要分析的翼面(1)、拍动所绕轴线(3)的正投影之间的位置，得到要分析的翼面(1)的正投影对于拍动所绕轴线(3)的正投影的惯性矩为I；得到I的方法：把要分析的翼面(1)的正投影分成若干个微元，得到各微元的面积、得到各微元至拍动所绕轴线(3)的正投影的距离的二次方，它们的乘积的积分为I；根据S_翼、I，计算出一个参考距离为D_参，使得S_翼×(D_参)²＝I；

根据要分析的围绕拍动所绕轴线(3)拍动的范围、D_参，得到改变攻角所绕轴线(2)上至拍动所绕轴线(3)距离为D_参的点在拍动时能够划出的圆弧的弧长为C_弧；

3)设计便于仿真的翼面(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)沿着垂直于改变攻角所绕轴线(2)的方向移动；

所述的便于仿真的翼面(4)为一个直柱体，改变攻角所绕轴线(2)垂直于直柱体的底面(5)，便于仿真的翼面(4)的前缘、后缘在直柱体的侧面，便于仿真的翼面(4)的前缘、后缘之间的距离等于W₂，便于仿真的翼面(4)的前缘至改变攻角所绕轴线(2)距离为D_前，D_前与W₂的比值要等于a；

所述的便于仿真的翼面(4)由内芯(6)、外壳(7)组成；分别设定内芯(6)、外壳(7)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，便于仿真的翼面(4)的质心至改变攻角所绕轴线(2)距离为D₂，D₂与W₂的比值要等于b；

4)在仿真软件中建立虚拟风洞(9)，空气动力情况仿真在虚拟风洞(9)中进行；把内芯(6)的坐标系原点移动到改变攻角所绕轴线(2)上；把便于仿真的翼面(4)放在虚拟风洞(9)中，直柱体的2个底面(5)都要贴在围成虚拟风洞(9)的平面上；外壳(7)随着内芯(6)运动；

5)在内芯(6)的质心上施加一个回复力，当内芯(6)沿着垂直于改变攻角所绕轴线(2)的方向移动离开平衡位置时，该回复力使得内芯(6)有回到平衡位置的倾向；在内芯(6)的质心上施加一个回复力矩，当内芯(6)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(6)有回到平衡位置的倾向；在内芯(6)的质心上施加一个周期性外力，即驱动力，使得便于仿真的翼面(4)在回复力、回复力矩、驱动力、空气动力的作用下做受迫振动，驱动力的频率等于要分析的扑动频率；当便于仿真的翼面(4)做受迫振动时，内芯(6)的坐标系原点划出的线段的长度为C_线；分别调整上述的回复力、回复力矩、驱动力，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，且C_线等于C_弧；

6)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所述的一种扑翼空气动力情况的仿真方法，其特征在于，当所述的内芯(6)的密度均匀时，内芯(6)的质心在改变攻角所绕轴线(2)上。

3.根据权利要求1所述的一种扑翼空气动力情况的仿真方法，其特征在于，所述的外壳(7)中有一个形状、尺寸与内芯(6)相同的空腔(8)，外壳(7)把内芯(6)包住。

4.根据权利要求1所述的一种扑翼空气动力情况的仿真方法，其特征在于，所述的虚拟风洞(9)由多个面围成，其中至少有两个面是平面，这两个平面互相平行，且这两个平面之间的距离等于直柱体的高。

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