设计了一款机翼对称拍打的X翼扑翼机构。采用曲柄滑块机构,将曲柄的圆周运动转化为直轴的直线往复运动,直轴再通过摇杆带动两侧机翼,从而实现机翼的对称拍打。制作了一台扑翼机构的样机,运用光学运动捕捉系统和风洞对该扑翼机构进行了运动测试,从扑翼机构的拍打角度幅值、拍打频率、产生的升力以及电机的运行状况方面分析了该扑翼机构的可靠性。通过对比试验,确定了一组合适的拍打角度幅值和翼面面积,使得该扑翼机构能够产生12.9 g的升力,验证说明clap-fling机制能够有效提高该扑翼机构的升力。

针对传统扑翼飞行器机翼拍打存在相位差的问题,设计了一种使用曲柄滑槽机构传动的扑翼飞行器,对其进行建模和仿真分析,制作样机并进行了实际飞行测试。制作的样机质量为26 g,翼展为340 mm,最高拍打频率为17 Hz。对曲柄滑槽机构进行理论分析,推导出该机构的运动学方程;利用SolidWorks软件对曲柄滑槽机构进行运动学仿真分析,研究了不同曲柄长度和不同拍打频率下扑翼飞行器的运动特性,确定了一个合适的曲柄长度;测试了不同电机型号和减速比下扑翼飞行器的功率消耗,确定一组低功耗的动力装置。研究结果表明,曲柄滑槽传动机构能够实现机翼无相差对称拍打,降低升力不平衡对机身的影响;在曲柄长度为4.5 mm时,机翼的上冲程角和下冲程角分别为45°和-15°,扑翼飞行器能够实现在空中稳定飞行。

扑翼飞行器的翼型从最初的单段翼逐渐衍生出双段翼,学术界至今尚未对单段翼和双段翼优劣形成共识。为探究两种翼型优劣情况,设计并建造了一种新型扑翼飞行器,实现同一飞行器上单翼模式和双翼模式的转换。采用柔性复合泡沫膜作为翼膜材料,提升飞行器外段翼拍打韧劲。搭建可以模拟来流状态和感知扑翼机瞬时力矩的实验平台,控制扑翼拍打频率,测得不同扑翼模式下的升力数据,控制自由流速,测得不同扑翼模式下的推力数据。数据表明,风速适宜且拍打频率为中高频时,双段翼升力约是单段翼的1.2~1.5倍;同等条件下,单段翼推力约是双段翼的1.8倍。表明目前的双段翼机型技术还不成熟,与自然界鸟类高超的飞行能力不符,有待进一步改进机体技术。

为提高扑翼飞行器的气动效率,分析自然界鸟类翅膀运动机理,设计拍打-折叠运动的仿鸟飞行器机构,实现了仿鸟翅膀“8”字型运动轨迹。区别于传统扑翼飞行器的膜状翼结构,模仿鸟类翅膀羽毛分层结构,研制出羽毛机翼。利用计算流体力学仿真软件XFlow,研究机翼初始迎角,展弦比和扑动频率对折叠翼扑翼飞行器的气动特性影响。实验结果表明机翼初始迎角在5°时取得最大升阻比系数,有利于飞行器快速升空及平飞飞行;扑动频率在4~5 Hz时获得最佳气动效率;机翼展弦比为3,扑翼飞行器获得较优气动性能。羽翼动力折叠翼飞行器成功飞行,为研制机翼多自由度变形仿生机器鸟提供理论上的可行性和有效飞行平台。

该文主要采用BLU-SGS混合动态网格隐式算法进行时间推进,空间离散采用二阶迎风格式的有限体积法。求解非定常Navier-Stokes方程,完成了二维不可压缩流场的数值模拟。在该基础上,通过积分计算的形式得到整个机翼平面的气动力,研究揭示了不同扑动频率、风速参数、减缩频率、雷诺数与飞行气动效率的关系,表明参数的合理调试对仿生扑翼飞行器的有效飞行起到重要影响。针对不同参数条件,研究分析了气动力以及气动效率结果,为后续气动特性问题的研究提供参考。