CN218916764U - 一种三维蜻蜓前翼褶皱模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维蜻蜓前翼褶皱模型包括蜻蜓前翼二维平面模型，蜻蜓前翼二维平面模型包括前翼模型，前翼模型横截面的形状沿展向设置有呈褶皱状的褶皱结构模型，前翼模型包括翅脉和翅膜，翅脉是中空圆管结构，可分为纵脉和横脉，并且纵脉和横脉交叉连接，翅脉之间的纵横交叉点为特征点，特征点通过样条曲线沿着翅脉连接形成翅脉曲线，翅脉曲线交叉形成翅膜面，在翅脉曲线的上建立一个样本圆，以翅脉曲线为脊线拉伸所述样本圆，从而形成圆管状的翅脉曲面，褶皱结构模型由翅脉曲线和翅膜曲面的空间分布构成；本实用新型可为航空航天飞行器和仿生微型扑翼飞行器等的设计、研制和开发提供一定的技术参考。

Description

一种三维蜻蜓前翼褶皱模型

技术领域

本实用新型涉及微型飞行器技术领域，尤其涉及一种三维蜻蜓前翼褶皱模型。

背景技术

目前，国内外已有许多科学家对蜻蜓翼的空气动力学和力学性能方面进行了相关研究，并取得了巨大成果。

对蜻蜓的空气动力学研究源于运动学观察和理论计算，Norberg根据对蜻蜓悬停飞行时的运动学观测与使用的定常气动理论计算翅膀此状态下的升力系数，发现计算得出的升力并不能支撑蜻蜓做悬停飞行，因此Norberg认为蜻蜓悬停飞行中产生的至少60％的升力来源于非定常空气动力学。Savage等通过平均的前翼和后翼弦向长度得到二维翼型，进行了流动可视化实验，揭示了非定常状态下涡对蜻蜓悬停飞行时的影响。皱褶是蜻蜓翼上最为显著的结构，kesel选取蜻蜓前翼三处位置的皱褶，通过风洞实验研究表明皱褶比平板的气动性能更优秀。Kwok的水洞实验结果显示，皱褶上下凹槽被驻留涡填充，使其流动类似于光滑的翼型。Vargas通过数值模拟的方法得出类似结论，且皱褶上表面凹槽内的驻留涡沿顺时针旋转，下表面凹槽内的驻留涡沿逆时针旋转，皱褶下表面的凹槽内出现的反向流动，降低了蜻蜓前翅的摩擦阻力，降低了皱褶的总阻力。而在对蜻蜓翼的力学性能研究中，Hertel的研究表明皱褶结构能够增加翅膀刚度，Newman等测量了蜻蜓翼皱褶的几何参数及翼的抗弯刚度，发现翼膜能提高翅膀整体结构的刚度。McLendon建立蜻蜓翼内部脉络的简化模型，用数值模拟的方法对比分析了四边形结构和六边形结构，用于指导仿生结构材料的设计。

目前大多数的实验研究和数值分析中，学者们常将蜻蜓翅膀简化为一个仅具有翅膀外轮廓的平板模型，然而在对蜻蜓翅膀形态和结构的研究中发现蜻蜓翅膀结构复杂，看似一个二维平面结构，实际上是一个空间立体三维褶皱结构。国内对蜻蜓翼气动特性和力学性能的研究起步较晚，且大多情况下由于用于实验或仿真模拟的模型与真实情况下的蜻蜓翼相去甚远，导致最后的结果和结论具有一定的局限性。通过查阅资料可知，广泛应用于研究的蜻蜓翼模型有：二维蜻蜓翼平板模型，二维标准翼型，三维蜻蜓翼平板模型，三维蜻蜓翼褶皱模型等，并且考虑到模型的精确程度和蜻蜓在真实飞行状态下蜻蜓翼的柔性变形，最终得出的研究结果的局限性和误差性就特别凸显出来了，具体体现在人们对蜻蜓翼做了过多的简化。。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种三维蜻蜓前翼褶皱模型。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，包括三维蜻蜓翼模型和作为对照组的平板模型，所述三维蜻蜓翼模型包括蜻蜓前翼二维平面模型和呈褶皱状的褶皱结构模型，所述蜻蜓前翼二维平面模型包括前翼模型，所述褶皱结构模型设置在所述前翼模型横截面的形状沿展向上，所述前翼模型包括翅脉和翅膜，所述翅脉是中空圆管结构，可分为纵脉和横脉，并且所述纵脉和所述横脉交叉连接，所述翅脉之间的纵横交叉点为记录所述前翼模型轮廓的特征点，所述特征点通过样条曲线沿着所述翅脉连接形成翅脉曲线，所述翅脉曲线交叉形成的封闭区域为翅膜面，在所述翅脉曲线的上设置有一个样本圆，以所述翅脉曲线为脊线拉伸所述样本圆，从而形成圆管状的翅脉曲面，所述褶皱结构模型由所述翅脉曲线和所述翅膜曲面的空间分布构成。

优选的，所述平板模型包括平板翅根、平板前缘、平板翅尖和平板后缘。

优选的，所述翅脉在外轮廓处包括前缘翅脉、后缘翅脉、翅根和翅尖，所述纵脉沿着所述翅根到所述翅尖方向严格按照凸凹的次序排列且起伏的幅度逐渐减小，所述翅脉的管径从所述前缘翅脉到所述后缘翅脉方向逐渐变小。

优选的，所述翅膜面的形状为三角形、四边形、五边形和六边形中的一种。

优选的，忽略所述翅脉沿展向和弦向尺寸与形状的变化，所述样本圆的直径为为0.18mm。

本实用新型有益效果：

本实用新型中的一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，可用于对三维蜻蜓翼的空气动力学性能和固体动力学性能研究；在此基础上通过数值模拟方法可得到刚性和柔性蜻蜓皱褶翼的空气动力学参数和力学参数，分析流体、固体相互作用对蜻蜓翼力学性能的影响，为柔性机翼的设计与制造提供数据支持；并且可以研究蜻蜓翼的形态、空气动力学、结构、材料等多个因素的相互耦合协同作用,可为航空航天飞行器和仿生微型扑翼飞行器等的设计、研制和开发提供一定的技术参考。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型优选实施例整体结构示意图；

图2是本实用新型优选实施例整体结构左视图；

图3是本实用新型优选实施例整体结构俯视图；

图4是本实用新型优选实施例1中的平板模型的主视图；

图5是本实用新型优选实施例1中的平板模型的左视图；

图6是本实用新型优选实施例1中的平板模型的俯视图。

附图标注：

1-翅根2-前缘翅脉3-翅脉4-翅尖5-翅膜6-后缘翅脉7-平板翅根8-平板前缘9-平板翅尖10-平板后缘。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-图6，本实用新型的优选实施例，一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，包括三维蜻蜓翼模型和作为对照组的平板模型，所述三维蜻蜓翼模型包括蜻蜓前翼二维平面模型和呈褶皱状的褶皱结构模型，所述蜻蜓前翼二维平面模型包括前翼模型，所述褶皱结构模型设置在所述前翼模型横截面的形状沿展向上，所述前翼模型包括翅脉3和翅膜5，所述翅脉3是中空圆管结构，可分为纵脉和横脉，并且所述纵脉和所述横脉交叉连接，所述翅脉3之间的纵横交叉点可看做记录所述前翼模型轮廓的特征点，所述特征点利用样条曲线沿着所述翅脉连接形成所述翅脉曲线，所述翅脉曲线交叉形成的封闭区域为翅膜面，所述翅膜面的形状为三角形、四边形、五边形和六边形中的一种，所述翅膜面的形状和排布方式能有效降低翅膀的应力；在所述翅脉曲线的上建立一个样本圆，以所述翅脉曲线为脊线拉伸所述样本圆，从而形成圆管状的翅脉曲面，忽略所述翅脉3沿展向和弦向尺寸与形状的变化，所述样本圆的直径为为0.18mm，所述褶皱结构模型由所述翅脉曲线和所述翅膜曲面的空间分布构成。

作为本实用新型的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：

所述翅脉3在外轮廓处包括前缘翅脉2、后缘翅脉6、翅根1和翅尖4，所述纵脉沿着所述翅根1到所述翅尖4方向严格按照凸凹的次序排列且起伏的幅度逐渐减小，所述翅脉3的管径从所述前缘翅脉2到所述翅脉后缘6方向逐渐变小。

本实用新型中的一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，可用于对三维蜻蜓翼的空气动力学性能和固体动力学性能研究；在此基础上通过数值模拟方法可得到刚性和柔性蜻蜓皱褶翼的空气动力学参数和力学参数，分析流体、固体相互作用对蜻蜓翼力学性能的影响，为柔性机翼的设计与制造提供数据支持；并且可以研究蜻蜓翼的形态、空气动力学、结构、材料等多个因素的相互耦合协同作用,可为航空航天飞行器和仿生微型扑翼飞行器等的设计、研制和开发提供一定的技术参考。

实施例1

蜻蜓在飞行过程中，由于翅膀柔性的特点，翅膀在流场中产生变形，这是一个流固耦合问题，为了能更好的对比蜻蜓刚性和柔性褶皱前翅气动效能的差异，本实用新型基于真实的蜻蜓翅膀，根据人们对蜻蜓前翅的实际测量数据，经过合理简化修改，进而改进出带褶皱结构的三维蜻蜓翼模型，更加接近蜻蜓翅膀的真实形态，以便对流固耦合问题研究。

本实用新型采用逆向测绘的方法利用建模软件CATIA绘制出三维蜻蜓翼模型中的褶皱结构模型和作为对照组的三维蜻蜓翼模型的平板模型，平板模型包括平板翅根7、平板前缘8、平板翅尖9和平板后缘10，平板模型与三维蜻蜓翼模型具有相同外形，以及相等的参考面积，三维平板的厚度与蜻蜓翅脉的外径尺寸一致，与三维褶皱蜻蜓翼的区别就是整体忽略了褶皱结构，不考虑蜻蜓翼上的具体特征，取而代之的是整体光滑的平面和曲面，这就是该模型叫做平板模型的原因；平板模型用于在研究过程中起相互对照的作用；本实用新型极大的补充了仿真模拟蜻蜓翼研究中模型的空缺，为研究蜻蜓翼的形态、空气动力学、结构、材料、扑动方式等打下一定基础。

在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

以上所述仅为本实用新型的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本实用新型目的的技术方案都属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，其特征在于：包括三维蜻蜓翼模型和作为对照组的平板模型，所述三维蜻蜓翼模型包括蜻蜓前翼二维平面模型和呈褶皱状的褶皱结构模型，所述蜻蜓前翼二维平面模型包括前翼模型，所述褶皱结构模型设置在所述前翼模型横截面的形状沿展向上，所述前翼模型包括翅脉和翅膜，所述翅脉是中空圆管结构，可分为纵脉和横脉，并且所述纵脉和所述横脉交叉连接，所述翅脉之间的纵横交叉点为记录所述前翼模型轮廓的特征点，所述特征点通过样条曲线沿着所述翅脉连接形成翅脉曲线，所述翅脉曲线交叉形成的封闭区域为翅膜面，在所述翅脉曲线的上设置有一个样本圆，以所述翅脉曲线为脊线拉伸所述样本圆，从而形成圆管状的翅脉曲面，所述褶皱结构模型由所述翅脉曲线和所述翅膜曲面的空间分布构成。

2.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，其特征在于：所述平板模型包括平板翅根、平板前缘、平板翅尖和平板后缘。

3.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，其特征在于：所述翅脉在外轮廓处包括前缘翅脉、后缘翅脉、翅根和翅尖，所述纵脉沿着所述翅根到所述翅尖方向严格按照凸凹的次序排列且起伏的幅度逐渐减小，所述翅脉的管径从所述前缘翅脉到所述后缘翅脉方向逐渐变小。

4.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，其特征在于：所述翅膜面的形状为三角形、四边形、五边形和六边形中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓前翼褶皱模型，其特征在于：忽略所述翅脉沿展向和弦向尺寸与形状的变化，所述样本圆的直径为为0.18mm。

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