一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析系统及方法，包括主控机、服务器、结构静态特性测试系统、结构动态特性测试系统、气动响应分析系统、结构响应分析系统、耦合响应分析系统，通过光纤系统连接成为统一的整体。主控机分别与结构静态、动态特性测试设备和服务器相连，服务器连接并控制结构、气动、耦合响应分析系统，三个响应系统各自运行各专业分析工具，最终将分析结果返回服务器并输出反馈。本发明专利技术有效地解决了微型扑翼设计及气动和结构耦合特性的综合分析与两个学科的数据交流困难，实现了涉及气动和结构两个学科的复杂问题的综合分析与自动协调运行，缩短了微型扑翼的设计周期，提高了设计效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞行器总体设计技术，具体是。
技术介绍
扑翼飞行器是模仿鸟类和昆虫拍动翅膀进行飞行的仿生飞行器，与传统飞行器不同，扑翼飞行器飞行所需的升力和推力完全依靠扑翼的周期性运动产生，扑翼的气动性能就成为了影响飞行器性能的关键因素。研究表明，具有合理刚度分布和柔性变形能力的柔性扑翼的气动性能显著优于刚性扑翼，是当前扑翼飞行器发展的主要方向。在扑翼往复运动的过程中，受到气动载荷和惯性载荷的共同作用，柔性扑翼会被动地改变外形，变形幅度对气动性能的影响十分明显。因此，对柔性扑翼的扑动过程进行气动性能分析就必须考虑气动结构耦合问题，在计及结构变形的情况下求解气动力。已有的气动结构耦合分析主要针对的是颤振问题，考虑结构小幅度变形情况下受到气动载荷产生自激振动的过程。主要的有以下两种方式:第一，基于小扰动时不变假设，分别求解结构变形和气动力，而不考虑两者之间的动态耦合影响；第二，对气动N-S方程和结构有限元方程进行迭代数值求解，以上一时刻的结构外形作为下一时刻气动力求解的几何外形，再以获得的气动力作为求解下一时刻结构变形的载荷，这种方法基于简化假设的处理方法，一定程度上反映了气动和结构的交互作用，但气动和结构迭代求解的周期长，收敛性无法保证，不恰当的模型假设可能导致数值求解结果与实际情况不符。上述方法用于求解柔性扑翼的气动结构耦合问题具有明显的局限:柔性扑翼扑动过程存在大幅度周期性变形，不再满足小扰动时不变假设，必须充分考虑气动结构的耦合作用；模仿鸟类和昆虫的扑翼尺寸小，结构的各向异性特征明显，准确获得结构特性并在求解过程中加以利用就成为了难题。且柔性扑翼属于大幅度强迫运动，与颤振的自激振动不同，其表面当地速度由扑动速度和变形速度共同决定。该问题与经典的气弹问题有着显著区别，为了研究微型扑翼飞行时气动与结构耦合的真实效果与作用，必需针对柔性扑翼的固有特点进行分析，开展气动和结构两个学科间的完全稱合研究，建立一种能够自动协调并综合分析的完整系统。
技术实现思路
要解决的技术问题为了克服现有技术中无法充分考虑柔性扑翼气动结构耦合作用，求解收敛性差、精度低的不足，本专利技术提出了，用于分析由柔性骨架包覆柔性蒙皮构成的柔性扑翼。技术方案本专利技术的技术方案为:所述一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析系统，其特征在于:由主控机、服务器、结构静态特性测试系统、结构动态特性测试系统、气动响应分析系统、结构响应分析系统和耦合特性分析系统组成；结构静态特性测试系统采集组成微型扑翼的各个材料的弹性模量和泊松比，结构动态特性测试系统采集微型扑翼的固有频率和振型；主控机将结构静态特性测试系统以及结构动态特性测试系统的采集结果送入服务器；服务器发送微型扑翼的运动方式或变形后的外形数据、飞行状态到气动响应分析系统，气动响应分析系统按照时间推进历程建立三维空间网格，计算出微型扑翼运动过程中的气动特性，将计算结果返回服务器；服务器发送微型扑翼的运动方式、外形数据、材料属性和气动力载荷历程到结构响应分析系统，结构响应分析系统由外形数据建立微型扑翼的几何模型、划分结构动力学网格，根据气动力载荷历程分析结构动态响应过程，计算微型扑翼结构变形结果，将计算结果返回服务器；服务器发送微型扑翼运动过程中的气动特性或微型扑翼结构变形结果到耦合特性分析系统，耦合特性分析系统处理微型扑翼运动过程中的气动特性而生成用于结构响应分析的气动力载荷历程，耦合特性分析系统处理微型扑翼结构变形结果而生成用于气动响应分析的变形位移数据，并计算微型扑翼相邻两次结构变形结果的误差，耦合特性分析系统的计算结果返回服务器；服务器根据相邻两次结构变形结果的误差判断分析过程是否收敛，根据收敛性选择继续分析或输出结果。所述一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析方法，其特征在于:采用以下步骤:步骤1:测量组成微型扑翼的各个材料的弹性模量和泊松比，测量微型扑翼的固有频率和振型；步骤2:根据微型扑翼的运动方式或变形后的外形、飞行状态，按照时间推进历程建立三维空间网格，计算得到微型扑翼运动过程中的气动力数据；步骤3:根据步骤2得到的微型扑翼运动过程中的气动力数据，通过数据传递得到不同密度网格上的作用力传递矩阵，将微型扑翼气动网格节点上的力转移到结构网格节点上，得到用于结构响应分析的气动力载荷历程；步骤4:根据微型扑翼的运动方式、外形数据、材料属性以及步骤3得到的气动力载荷历程，建立微型扑翼的几何模型、划分结构动力学网格、按照时间推进历程模拟微型扑翼的结构动力学响应过程，计算微型扑翼结构变形结果；步骤5:根据步骤4得到的微型扑翼结构变形结果，通过数据传递得到不同密度网格上的位移传递矩阵，将微型扑翼结构网格节点上的位移传递到气动网格节点上，得到用于气动响应分析的变形位移数据；步骤6:重复步骤2?步骤5，计算微型扑翼相邻两次结构变形结果的误差，判断分析过程是否收敛，若收敛，则输出结果，若不收敛则继续重复步骤2?步骤5。所述一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析方法，其特征在于:步骤2中，根据微型扑翼的运动方式或变形后的外形生成微型扑翼表面网格，再由基于无限插值的网格生成方法得到用于粘性绕流求解的三维CO型结构拓扑结构，通过求解预处理后的三维非定常雷诺平均Navier-StOkes方程得到微型扑翼运动过程中的气动力数据。所述一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析方法，其特征在于:步骤4中，根据微型扑翼的运动方式和外形数据建立几何模型，并在几何模型中定义材料属性与截面特性，然后划分结构动力学网格，基于哈密顿原理对动能和应变能进行变分，得到微型扑翼的结构动力学方程，利用Newmarket方法对结构动力学方程进行离散求解，得到微型扑翼在外力作用下的结构动态特性，得到微型扑翼结构变形结果。所述一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析方法，其特征在于:步骤3和步骤5中通过径向基函数实现数据传递，得到不同密度网格上的作用力传递矩阵和位移传递矩阵。有益效果同现有技术相比，本专利技术充分利用了扑翼往复运动的特征，针对反复重现的周期性特征进行迭代逼近，保证了数值解的存在性，减少了迭代次数，提高了求解效率。使用实验测量的方法获得柔性结构各向异性的结构特性，在进行气动结构迭代求解之前先根据测量结果迭代修正结构有限元模型，有效提高了气动结构迭代求解过程中结构变形计算的精度，也就提高了最终获得气动特性的精度。本系统适合分析微型扑翼真实情况下气动力和变形的相互作用过程，在微型扑翼设计阶段利用该专利技术，可设计出既满足气动性能同时重量又轻的结构，对微型扑翼总体设计方案的确定起到很好的参考作用，从而缩短了设计周期，提高了设计效率。【附图说明】附图1是计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析系统硬件组成框图。其中，I为主控机，2为服务器，3为结构静态特性测试系统，4为结构动态特性测试系统，5为气动响应分析系统，6为结构响应分析系统，7为耦合特性分析系统。附图2是结构静态特性测试系统硬件组成示意图。其中，31为测量对象，32为夹持装置，33为加载设备，34为非接触式应变测量仪，35为稳定基座。附图3是结构动态特性测试系统硬件组成示意图。其中，41为测量对象，42为夹持装置，43为激励力锤，44为激光位移传感器。附图4是气动响应分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析系统，其特征在于：由主控机、服务器、结构静态特性测试系统、结构动态特性测试系统、气动响应分析系统、结构响应分析系统和耦合特性分析系统组成；结构静态特性测试系统采集组成微型扑翼的各个材料的弹性模量和泊松比，结构动态特性测试系统采集微型扑翼的固有频率和振型；主控机将结构静态特性测试系统以及结构动态特性测试系统的采集结果送入服务器；服务器发送微型扑翼的运动方式或变形后的外形数据、飞行状态到气动响应分析系统，气动响应分析系统按照时间推进历程建立三维空间网格，计算出微型扑翼运动过程中的气动特性，将计算结果返回服务器；服务器发送微型扑翼的运动方式、外形数据、材料属性和气动力载荷历程到结构响应分析系统，结构响应分析系统由外形数据建立微型扑翼的几何模型、划分结构动力学网格，根据气动力载荷历程分析结构动态响应过程，计算微型扑翼结构变形结果，将计算结果返回服务器；服务器发送微型扑翼运动过程中的气动特性或微型扑翼结构变形结果到耦合特性分析系统，耦合特性分析系统处理微型扑翼运动过程中的气动特性而生成用于结构响应分析的气动力载荷历程，耦合特性分析系统处理微型扑翼结构变形结果而生成用于气动响应分析的变形位移数据，并计算微型扑翼相邻两次结构变形结果的误差，耦合特性分析系统的计算结果返回服务器；服务器根据相邻两次结构变形结果的误差判断分析过程是否收敛，根据收敛性选择继续分析或输出结果。...

【技术特征摘要】
1.一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析系统，其特征在于:由主控机、服务器、结构静态特性测试系统、结构动态特性测试系统、气动响应分析系统、结构响应分析系统和耦合特性分析系统组成；结构静态特性测试系统采集组成微型扑翼的各个材料的弹性模量和泊松比，结构动态特性测试系统采集微型扑翼的固有频率和振型；主控机将结构静态特性测试系统以及结构动态特性测试系统的采集结果送入服务器；服务器发送微型扑翼的运动方式或变形后的外形数据、飞行状态到气动响应分析系统，气动响应分析系统按照时间推进历程建立三维空间网格，计算出微型扑翼运动过程中的气动特性，将计算结果返回服务器；服务器发送微型扑翼的运动方式、外形数据、材料属性和气动力载荷历程到结构响应分析系统，结构响应分析系统由外形数据建立微型扑翼的几何模型、划分结构动力学网格，根据气动力载荷历程分析结构动态响应过程，计算微型扑翼结构变形结果，将计算结果返回服务器；服务器发送微型扑翼运动过程中的气动特性或微型扑翼结构变形结果到耦合特性分析系统，耦合特性分析系统处理微型扑翼运动过程中的气动特性而生成用于结构响应分析的气动力载荷历程，耦合特性分析系统处理微型扑翼结构变形结果而生成用于气动响应分析的变形位移数据，并计算微型扑翼相邻两次结构变形结果的误差，耦合特性分析系统的计算结果返回服务器；服务器根据相邻两次结构变形结果的误差判断分析过程是否收敛，根据收敛性选择继续分析或输出结果。2.一种计及气动和结构耦合特性的微型扑翼分析方法，其特征在于:采用以下步骤: 步骤1:测量组成微型扑翼的各个材料的弹性模量和泊松比，测量微型扑翼的固有频率和振型； 步骤2:根据微型扑翼的运动方式或变形后的外形、飞行状态，按照时间推进历程建立三维空间网格，计算得到微型扑翼运动过程中的气动力数据； 步骤3:根据步骤2得到的微型扑翼运动过程中的气动力数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文青，王利光，王进，付鹏，宋笔锋，宋文萍，李洋，薛栋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61