一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法技术

一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，它涉及一种建模方法。本发明专利技术为了解决常规准定常模型对柔性扑翼飞行器的气动特性的预测准确性较低、适用性较差的问题。S1、初始化模型输入参数并建立扑翼的运动规律函数；S2、将不同物性材料间存在应变干涉的翼面分割为若干个各向同性的区域；S3、基于薄板假设建立翼膜区域的整体刚度矩阵并施加边界条件；S4、基于准定常空气动力学理论构造翼面阻力分布矩阵；S5、根据最小势能原理求解翼面节点位移分布矩阵；S6、实现迎流状态的精准解析并形成翼面相对攻角分布矩阵；S7、判断迭代误差是否小于预设的误差限；S8、积分得到整机空气动力的预测曲线。用于扑翼飞行器中。整机空气动力的预测曲线。用于扑翼飞行器中。整机空气动力的预测曲线。用于扑翼飞行器中。

【技术实现步骤摘要】
一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法


[0001]本专利技术涉及一种建模方法，具体涉及一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，属于扑翼飞行器领域。

技术介绍

[0002]历经千万年来的不断进化，各类飞行生物体已经形成各自几近完美的生理结构和极度高超的飞行技巧，成为人类数百年来飞行梦想的模仿对象。仿生扑翼飞行器通过模仿自然界中飞行生物的动作机理，在低雷诺数、非定常气流环境中通过拍动翅膀产生升推力实现飞行能力，具有机动性好、效率高、噪声低、隐蔽性强等优点，其在环境监测、巷战袭击、军事侦察等领域有较大应用潜力。在微机电技术不断快速发展的助推下，仿生扑翼飞行器的研究方兴未艾，不断涌现出新型结构、新建模理论和新控制策略，成为世界范围内的研究热点之一，是集生物力学、空气动力学、机械、材料、自动控制、微电子等多学科交叉融合的新型研究领域。
[0003]有关空气动力学的研究是各类飞行器领域内的重要理论支撑，是指导飞行器开展优化设计、控制理论研究等方向的基层技术，但众多飞行器之间的飞行机理互不相通，扑翼运动所产生的空气动力尤为复杂，其有别于任何其他种类的飞行器，它没有如螺旋桨、喷气式发动机一类的额外动力装置，无法获得稳定的驱动力，整个飞行过程中受到的空气动力与飞行状态都是复杂多变的，至今尚未出现一种可以被广泛使用且精准贴合实际的扑翼空气动力学建模方法。目前，针对扑翼运动的空气动力学建模方法的研究焦点，主要集中在分析流场的各种非定常效应，倾向于利用尾流捕获效应、瓦格纳效应、附加质量效应等理论解释扑翼运动能产生高升力的原因，而忽略针对柔性翼面的实时变形情况的研究。
[0004]实际上扑翼运动所产生的推进力完全由翼面的柔性变形提供，这种被动的柔性变形会产生与相对来流速度方向相反的拱形曲面，在上拍过程与下拍过程中笼罩的空气体积被动增加，翼面反复挤压周围的空气，从而得到地面坐标系下水平向后的气动推力分量。而呈理想刚性状态的翼面在无风拍动过程中只会产生正负等幅振荡的翼面法向力，表现为地面坐标系下同样正负等幅振荡的气动升力与推力；在有来流速度且绝对攻角为正的情况下，则表现为正方向的升力与负方向的推力。扑翼飞行器主动平稳飞行的前提是：升力与重力的合力均值接近零、推力的均值接近零，而刚性翼的特性使其在任何飞行参数下都无法同时满足这两个条件，因此，翼面呈理想刚性状态的扑翼飞行器是一定不具备主动飞行能力的。扑翼飞行器的翼面与风轮的扇叶和固定翼飞行器的蒙皮有本质区别，后两者的材料多为质地坚硬的合金，弹性模量极大，可近似看作刚性结构；而扑翼飞行器的翼膜与翼脉在运动过程中存在明显的柔性变形，其翅翼的弦向挠曲程度较大且沿展向的挠曲分布情况存在相互干扰，采用单一维度的叶素理论难以描述这种实时变形情况。基于计算流体力学仿真软件Xflow与有限元分析软件Abaqus可以对柔性扑翼飞行器进行双向流固耦合联合仿真，但所需的计算资源过于庞大，其三维流场网格通常需要达到数百万的量级，在i7
‑
10875H处理器中单组飞行参数的仿真时间通常超过24小时，难以在短时间内得到各种翼型
在不同飞行参数下的气动特性。
[0005]公告号为CN113591354，名称为《一种仿生扑翼飞飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及储存介质》的专利技术专利中，将升力视为均布载荷加载到翼面上，得到翼面上任意一点分别沿前缘、沿机身的扭转角，将柔性变形因素产生的影响叠加到拍动角和扭转角上，从而计算出考虑翼面柔性变形效果的扑翼空气动力特性。但该方法将翼面上的受力分布情况过度简化，实际扑翼飞行器翼面上的载荷分布情况非常复杂、同时不同材料的应变效应互不相同且存在耦合作用关系，因此该方法的预测准确性较低且无法用于分析不同翼脉布局的气动特性。
[0006]综上所述，对空气动力的预测方法不成熟是目前扑翼飞行器领域面临的主要技术障碍之一。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决常规准定常模型对柔性扑翼飞行器的气动特性的预测准确性较低且适用性较差的问题。进而提供一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，其是一种解算速度与预测准确性兼顾、且适应范围更广的柔性扑翼飞行器的建模方法。
[0008]本专利技术的技术方案是：一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，包括步骤：
[0009]S1、初始化模型输入参数并建立扑翼的运动规律函数；
[0010]S2、将不同物性材料间存在应变干涉的翼面分割为若干个各向同性的区域；
[0011]S3、基于薄板假设建立翼膜区域的整体刚度矩阵并施加边界条件；
[0012]S4、基于准定常空气动力学理论构造翼面阻力分布矩阵；
[0013]S5、根据最小势能原理求解翼面节点位移分布矩阵；
[0014]S6、实现迎流状态的精准解析并形成翼面相对攻角分布矩阵；
[0015]S7、判断迭代误差是否小于预设的误差限；
[0016]S8、积分得到整机空气动力的预测曲线。
[0017]进一步地，步骤S1中，扑翼飞行器的初始输入参数包括：机身绝对攻角、翻滚角、拍动幅值、上拍偏置角度、振翅频率、地面坐标系下的飞行速度、翼面弦长、翼面展长、翼面边界形状函数、翼面网格精度、最小时间步、样机质量、翼脉布局函数、翼脉及翼膜的材料属性、流场介质的物理参数、迭代误差限。初始输入参数可以任意设置，但不会在后续的迭代运算过程中发生改变。
[0018]进一步地，步骤S2中，扑翼飞行器的翼面结构主要由机翼前缘、翼脉与翼膜共同组成，这些材料的弹性模量与厚度等参数各不相同且彼此之间存在绑定关系，特别是翼膜部分在受力变形后产生的薄膜效应还会牵扯致使翼脉发生面内的剪切变形，为了节省有限元分析所需的计算资源，本专利技术提出了提取翼脉特征并沿其分割翼面区域的简化方法。依据实际设计方案中的翼面边界形状函数与翼脉布局函数，沿翼脉边界将翼面分割成若干个形状规则的区域，使分割后的每个翼面区域都呈现出各向同性，同时将薄膜效应引起的面内剪切变形忽略不计，对每个区域进行均匀细化形成有限元网格，初始化各翼膜区域的节点坐标及单元属性矩阵。
[0019]进一步地，步骤S3中，将各向同性的各个区域视作小挠度的薄板变形问题进行初步分析，在Kirchhoff假设下求解得到的单元刚度矩阵K
e
的表示式为：
[0020][0021]式中，th为薄板厚度，A
e
为面积域，D为弹性系数矩阵，B为应变函数矩阵。应变函数矩阵可通过算子矩阵左乘形函数矩阵N得到，而形函数矩阵N可根据实际的单元形状与自由度数确定。
[0022]按节点顺序将单元刚度矩阵K
e
装配形成整体刚度矩阵K，为了加快运算速度，可以将整体刚度矩阵定义为稀疏矩阵。给定Dirichlet边界条件：
[0023]w(N
c
)＝u
c
[0024]式中N
c
表示翅翼前缘与翼脉所包含的节点构成的点集，u
c
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤S1：初始化模型输入参数并建立扑翼的运动规律函数；扑翼飞行器的初始输入参数包括：机身绝对攻角、翻滚角、拍动幅值、上拍偏置角度、振翅频率、地面坐标系下的飞行速度、翼面弦长、翼面展长、翼面边界形状函数、翼面网格精度、最小时间步、样机质量、翼脉布局函数、翼脉及翼膜的材料属性、流场介质的物理参数、迭代误差限；初始输入参数任意设置，但不会在后续的迭代运算过程中发生改变；步骤S2：将不同物性材料间存在应变干涉的翼面分割为若干个各向同性的区域；依据实际设计方案中的翼面边界形状函数与翼脉布局函数，沿翼脉边界将翼面分割成若干个形状规则的区域，使分割后的每个翼面区域都呈现出各向同性，同时将薄膜效应引起的面内剪切变形忽略不计，对每个区域进行均匀细化形成有限元网格，初始化各翼膜区域的节点坐标及单元属性矩阵；步骤S3：基于薄板假设建立翼膜区域的整体刚度矩阵并施加边界条件；将各向同性的各个区域视作小挠度的薄板变形问题进行初步分析，在基尔霍夫假设下通过应变能函数求解得到单元刚度矩阵，组装形成各翼膜区域的整体刚度矩阵并通过置大数法施加边界条件；步骤S4：基于准定常空气动力学理论构造翼面阻力分布矩阵；在准定常假设下将扑翼的振翅过程沿时间轴离散，将连续的翼面变化看作一系列静止的相位，在定常状态下通过平动环流方程与旋转环流方程分析每一处相位的气动特性，建立每个离散时间节点、每个翼面单元、在已知迎流状态下的空气动力学表达式，并由单元形函数关系求得节点载荷；步骤S5：根据最小势能原理求解翼面节点位移分布矩阵；翼面节点位移分布矩阵由两部分叠加形成，一部分是施加了膜效应系数的翼膜节点位移分布矩阵，另一部分是由翼脉变形带动的翼脉节点位移分布矩阵，其叠加关系为：U＝K
me
U
w
+K
be
U
B
式中，U为叠加后的翼面节点位移分布矩阵，K
me
为膜效应系数，U
w
为翼膜节点位移分布矩阵，K
be
为边界平滑的三阶贝塞尔分布系数，U
B
为翼脉节点位移分布矩阵；步骤S6：实现迎流状态的精准解析并形成翼面相对攻角分布矩阵；步骤S7：判断迭代误差是否小于预设的误差限；步骤S8：积分得到整机空气动力的预测曲线。2.根据权利要求1所述的一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，其特征在于：步骤S2中，扑翼飞行器的翼面结构包括机翼前缘、翼脉和翼膜，机翼前缘、翼脉和翼膜所采用的材料的弹性模量与厚度参数各不相同且彼此之间存在绑定关系，其中，翼膜部分在受力变形后产生的薄膜效应会牵扯致使翼脉发生面内的剪切变形。3.根据权利要求2所述的一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，其特征在于：步骤S3包括以下步骤：步骤S31：将各向同性的各个区域视作小挠度的薄板变形问题进行初步分析，在基尔霍夫假设下通过应变能函数求解得到单元刚度矩阵K
e
，K
e
的表示式为：
式中，th为薄板厚度，A
e
为面积域，D为弹性系数矩阵，B为应变函数矩阵。应变函数矩阵可通过算子矩阵左乘形函数矩阵N得到，而形函数矩阵N可根据实际的单元形状与自由度数确定；步骤S32：按节点顺序将单元刚度矩阵K
e
装配形成整体刚度矩阵K，为了加快运算速度，将整体刚度矩阵定义为稀疏矩阵，给定狄利克雷边界条件：w(N
c
)＝u
c
式中N
c
表示翅翼前缘与翼脉所包含的节点构成的点集，u
c
表示这些节点的位移矩阵。可以通过置大数法施加边界条件：K(q
c
)＝∞式中q
c
表示N
c
所代表的自由度位置。4.根据权利要求3所述的一种预测柔性扑翼飞行器翼面变形及空气动力的建模方法，其特征在于：步骤S4中，在准定常假设下将扑翼的振翅过程沿时间轴离散，将连续的翼面变...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭闯强，毛天佑，段博崧，刘宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：