CN109229369B - 一种新型可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型可扭转扑翼结构，至少包括翅翼、管道、泵，所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，所述管道位于翅翼内部，所述管道包括入流段、连接段和出流段，所述泵与管道连通，泵使流体在管道中循环。本发明提出的新型可扭转扑翼结构操纵简单高效，频率自动匹配，对大展弦比机翼作用效果显著。

Description

一种新型可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法
技术领域
本发明涉及仿生飞行器领域，特指一种可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法。
背景技术
昆虫类扑翼飞行器属仿生类飞行器。昆虫通过扑翼飞行，同时产生升力和推力。扑翼类似螺旋桨的运动，翅膀发生周期性的平扑运动以及展向的扭转。通过扭转，保证了每个截面与来流都保持大致相同的攻角，从而改善气动性能。
在现有技术中，对于扭转扑翼采用主动扭转机构，此方法需要额外的扭转机构以及能量输入，增加机翼的复杂性和负担；扭转机构从翅膀基部控制，对于翅膀整体，尤其是大展弦比的翅膀，翅膀远端受控效率弱，控制效率较差；此外，对于独立的平扑和扭转，需要各自控制它们的频率的输入，增加消耗。
发明内容
针对现有扭转扑翼结构及其控制方法存在的不足，本发明提出一种新型可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法。本发明提出的技术方案能够克服现有技术存在的不足，拓宽了昆虫类扑翼飞行器的研究思路。具体来说本发明的创新点聚焦于以下四个方面：本发明提出的新型可扭转扑翼结构不需要额外的控制模块来匹配扭转频率和扑翼频率，也不需要额外的模块产生扭转以及能量输入，简化了可扭转扑翼的结构，是一种高效的可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法；本发明提供的可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法，在翅翼的展向每处均产生扭矩，可控制整个翅翼的同时扭转；对于展弦比较高的翅翼也能够较好的控制；此外，本发明的扭转频率与扑翼频率自动匹配，符合运动规律，不需要额外控制。
本发明的第一方面提供一种新型可扭转扑翼结构，至少包括翅翼、管道、泵；
所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动；
所述的管道位于翅翼内部；
所述管道包括入流段、连接段和出流段；
所述泵与管道连通，泵使流体在管道中循环。
在一些实施方式中，所述管道在翅翼内部在展向布置。
在一些实施方式中，所述入流段位于翅翼的前缘。
在一些实施方式中，所述出流段位于翅翼的后缘。
本发明的第二方面提供一种扑翼扭转方法，采用可扭转扑翼结构，所述可扭转扑翼结构至少包括翅翼、管道、泵，
所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，
所述管道位于翅翼内部，
所述管道包括入流段、连接段和出流段，
所述泵与管道联通，泵使流体在管道中循环。
在一些实施方式中，所述管道在翅翼内部在展向布置。
在一些实施方式中，所述入流段位于翅翼的前缘。
在一些实施方式中，所述出流段位于翅翼的后缘。
在一些实施方式中，打开泵，使流体在管道中循环流动。
在一些实施方式中，扭转频率与扑翼频率自动匹配。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的新型可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法，不需要额外的控制模块来匹配扭转频率和扑翼频率，也不需要额外的模块产生扭转以及能量输入，简化了可扭转扑翼的结构，是一种高效的可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法。
2、本发明提供的可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法，在翅翼的展向每处均产生扭矩，可控制整个翅翼的同时扭转。
3、本发明提供的新型可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法，对于展弦比较高的翅翼也能够较好的控制。
4、本发明的扭转频率与扑翼频率自动匹配，符合运动规律，不需要额外控制。
附图说明
图1为本发明提供的可扭转扑翼结构的示意图；
图2为扑翼中的管道内流体受力示意图；
图3为翅翼的受力情况示意图；
图4为翅翼受到的扭转力矩和平扑力矩随时间变化示意图；
图5为本发明一种实施方式的测试结果；
图6为本发明一种实施方式的测试结果；
图中各标记如下，1为翅翼，2为入流段，3为出流段，4为连接段，5为泵，6为扑翼轴，7为管道。
具体实施方式
为了下面详细描述的目的，应当理解，本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序，除非明确规定相反。此外，除了在任何操作实例中，或者以其他方式指出的情况下，表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反指出，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
此外，应当理解，本文所述的任何数值范围旨在包括归入其中的所有子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括介于(并包括)所述最小值1和所述最大值10之间的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。
如图1，本发明的第一方面提供一种新型可扭转扑翼结构，至少包括翅翼1、管道7、泵5，
所述翅翼的根部为扑翼轴6，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，
所述管道位于翅翼内部，
所述管道包括入流段2、连接段4和出流段3，
所述泵与管道连通，泵使流体在管道中循环。
在一些实施方式中，所述管道在翅翼内部在展向布置。
在一些实施方式中，所述入流段位于翅翼的前缘。
在一些实施方式中，所述出流段位于翅翼的后缘。
流体在位于翅翼内部的管道中依次通过入流段、连接段、出流段。流体可以是液体或气体。
本发明的第二方面提供一种扑翼扭转方法，采用可扭转扑翼结构，所述可扭转扑翼结构至少包括翅翼、管道、泵，
所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，
所述管道位于翅翼内部，
所述管道包括入流段、连接段和出流段，
所述泵与管道连通，泵使流体在管道中循环。
在一些实施方式中，所述管道在翅翼内部在展向布置。
在一些实施方式中，所述入流段位于翅翼的前缘。
在一些实施方式中，所述出流段位于翅翼的后缘。
在一些实施方式中，打开泵，使流体在管道中循环流动。
在一些实施方式中，扭转频率与扑翼频率自动匹配。
发明人经过长期的研究，发现翅翼的平扑运动为周期性定轴转动，管道的入流段和出流段中的流体流速方向相反，导致流体对管道产生的力的作用方向也相反，分别垂直于翼面向内和垂直于翼面向外。二者大小相等、方向相反，形成力矩，对翅翼产生扭转作用。
本申请的发明人认为翅翼在平扑过程中围绕扑翼轴进行往复振动，运动角度满足简谐运动，即其中f为扑翼频率，Φ为扑翼幅值。
那么角速度为
当流体以流速v进入管道的入流段，通过连接段从管道的出流段流出，在翅翼平面内完成一个循环。发明人在研究中预料不到地发现，这时管道内壁的会受到一个附加力的作用，如图2，具体分析如下：
(1)当管道的入流段、出流段直径相同时，流速也相同，均为ν，管道内的流体单元质量δm，受到一个垂直于管道的力：
其方向可由右手螺旋法则确定，垂直于流速v。由于管壁的约束，流体单元对管壁产生相同的作用力。
δFc以线载荷的形式沿着入流段和出流段、垂直于翼面分布，如图3所示。由于δFc与流体速度方向有关，作用在入流段和出流段上的力大小相等方向相反。
翅翼在上述大小相等方向相反的线载荷作用下，会产生扭转。其中，展向单位长度的翅翼上作用的扭矩大小为
δM＝δFc×r1+δFc×r2
r1和r2分别为入流段和出流段到扭转轴的位移，由于对称性，r1＝r2，扭转轴位于两根管道中间位置。
当翅翼向上扑动时，流体被强制接受管子的垂直运动时，管道入流段中流体在对管壁产生一个垂直于翅翼平面向下的力，阻碍翅翼的上扑，而此时出流段中的流体则对管壁产生一个垂直于翅翼平面向上的力，促进翅翼的上扑。这样，在这两个力的共同作用下翅翼就产生了扭转。同样，当翅翼向下扑动，产生相反方向的扭矩，翅翼反向扭转。
根据发明人的分析，在周期性的扑动中，管内的流体对翅翼产生了周期性的扭矩作用，使其在平扑运动的同时也发生同频率的扭转运动。
(2)当入流段和出流段管径不相同时，可由流量相等，即确定速度ν1和ν2的关系，其中d1和d2分别为入流管和出流管的直径；再由F1×r1＝F2×r2确定扭转轴的位置，其它分析过程同(1)。
由于扭矩的产生依靠流体的单向流动以及翅翼平扑运动，所以扭矩的频率自然依赖于扑翼频率，无需额外设定，具体分析如下：
对于扑翼运动平扑力矩可写作/>其中/>为一常数；由前述计算可知，管内流速为ν时，翅翼上的扭转力矩可写作/>其中/>为一常数。在本申请中所提供的新型可扭转扑翼结构及扑翼扭转方法中，扭矩与扑动具有相同频率，均为f，如图4所示。
在扑翼过程中，此发明产生的扭矩是按照简谐运动规律变化，最大的扭矩在角速度最大处获得；最小扭矩在上下扑动转换时，几乎为零。扭矩的这种变化规律与昆虫实际飞行以及扑翼飞行器飞行所需要扭转状态保持一致。
实施例1
一种新型可扭转扑翼结构，包括翅翼、管道、泵，所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，所述管道位于翅翼内部，所述管道包括入流段、连接段和出流段，所述泵与管道联通，泵使流体在管道中循环。
所述管道在翅翼内部在展向布置。
所述入流段位于翅翼的前缘。
所述出流段位于翅翼的后缘。
实施例2
一种扑翼扭转方法，采用可扭转扑翼结构，所述可扭转扑翼结构包括翅翼、管道、泵，所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，所述管道位于翅翼内部，所述管道包括入流段、连接段和出流段，所述泵与管道联通，泵使流体在管道中循环。
所述管道在翅翼内部在展向布置。
所述入流段位于翅翼的前缘。
所述出流段位于翅翼的后缘。扭转频率与扑翼频率自动匹配。
打开泵，使流体在管道中循环流动，即可实现在扑翼过程中产生扭转。
评价测试一
采用有限元软件Abaqus建立翅翼模型，其中翅翼厚度为0.5mm；限定扑翼频率为60Hz，振幅为60°；展长10cm，弦长为5cm，展弦比2/1；流速为1cm/s；管道的直径为0.6cm；流体为水，密度1g/cm3。弹性模量为3GPa，泊松比为0.25；将上述计算得到的扭矩M施加到模型上，得到翅翼的变形结果，其中最大的扭转角度如图5所示。
评价测试二
采用有限元软件Abaqus建立翅翼模型，其中翅翼厚度为0.5mm；限定扑翼频率为45Hz，振幅为60°；展长24cm，弦长为6cm，展弦比4/1；流速为5cm/s；管道的直径为1cm；流体为水，密度1g/cm3。弹性模量为2.8GPa，泊松比为0.3；将上述计算得到的扭矩M施加到模型上，得到翅翼的变形结果，其中最大的扭转角度如图6所示。
在本申请中任何和所有的实施例，或示例性语言(例如，“例如”)的使用，都仅旨在更好地阐明本发明，而不是在本发明的范围上加以限制，除非另有主张。不应将在说明书中的语言理解为表明任何未主张的要素是实施本发明所必需的。
本申请中描述了本发明的优选实施方式，包括发明人所知道的实施本发明的最佳方式。对于阅读了前述说明书的本领域普通技术人员来说，那些优选实施方式的变通方式可以是显而易见的。本发明人期望本领域技术人员适当地使用这种变化，并且发明人旨在以与本文具体描述的不同的方式实施本发明。因此，本发明包括随后附具的权利要求中所述主题的所有适用法律准许的改变和等同实施。而且，本发明包括以上所述要素的所有可能的变通方式的任意组合，除非在本申请中另有说明或者与上下文明显矛盾。

Claims (8)

1.一种新型可扭转扑翼结构，其特征在于，
至少包括翅翼、管道、泵，
所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，
所述管道位于翅翼内部，
所述管道包括入流段、连接段和出流段，
所述泵与管道连通，泵使流体在管道中循环；
所述管道在翅翼内部在展向布置。
2.如权利要求1所述的新型可扭转扑翼结构，其特征在于，
所述入流段位于翅翼的前缘。
3.如权利要求1所述的新型可扭转扑翼结构，其特征在于，
所述出流段位于翅翼的后缘。
4.一种扑翼扭转方法，其特征在于，
采用可扭转扑翼结构，所述可扭转扑翼结构至少包括翅翼、管道、泵，所述翅翼的根部为扑翼轴，翅翼围绕扑翼轴进行扑翼振动，
所述管道位于翅翼内部，
所述管道包括入流段、连接段和出流段，
所述泵与管道连通，泵使流体在管道中循环；
所述管道在翅翼内部在展向布置。
5.如权利要求4所述的扑翼扭转方法，其特征在于，
所述入流段位于翅翼的前缘。
6.如权利要求4所述的扑翼扭转方法，其特征在于，
所述出流段位于翅翼的后缘。
7.如权利要求4所述的扑翼扭转方法，其特征在于，
打开泵，使流体在管道中循环流动。
8.如权利要求5所述的扑翼扭转方法，其特征在于，
扭转频率与扑翼频率自动匹配。
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