基于FLUENT的仿生扑翼机翅翼气动力分析.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3卷 第 1 5 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Au g ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 5 ． 0 4 1 基于 F L U E N T的仿生扑翼机翅翼气动 力分析 杨 永刚 ，谢友 增 中国民航大学航空工程学院，天津 3 0 0 3 0 0 摘要在仿生扑翼机的设计当中，仿生翅翼的气动力具有十分重要的意义。但由于与微型仿生扑翼飞行相关的低雷诺 数空气动力学研究还处于初级阶段 ，对仿生翅翼气动力研究还没有成熟的理论和可借鉴的经验 ，因此，应用计算流体动力 学软件 F l u e n t 求解 N S方程，分析扑动规律和周围气流环境对仿生扑翼机气动性能的影响。研究结果表明在对称扑翼机构 驱动下仿生翅翼可以产生较大升力，升力和阻力随扑动频率和来流速度的增加而增加，但阻力增加幅度相对较小 ，这为仿 生扑翼机的研制提供理论依据。 关键词仿生扑翼机；F l u e n t ； 升力系数；阻力系数 中图分类号T H1 6 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 5 - 1 6 3 - 3 Ae r o dy n a mi c Fo r c e Ana l y s i s o n W i n g o f Bi o n i c Fl a pp i ng wi ng Ro bo t Ba s e d o n Fl ue nt YANG Yo n g g a n g，XI E Yo u z e ng S c h o o l o f A e r o n a u t i c s E n g i n e e r i n g ，C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a e r o d y n a mi c f o r c e o f b i o n i c wi n g h a s v e r y i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e i n t h e d e s i g n o f b i o n i c fl a p p i n g w i n g r o b o t ．B e c a u s e t h e r e s e a r c h o f r e l e v a n t mi c r o - -a e r o d y n a mi c s w i t h l o w R e n a u k n u mb e r o f fl y i n g b y t h e mi c r o - b i o n i c fl a p p i n g wi n g r o b o t i s s t i l l i n i t s p rima r y s t a g e． t h e r e a r e n o ma t u r e t h e o ry a n d e x p e rie n c e o f r e f e r e n c e f o r t h e s t u d y o f a e r o d y n a mi c f o r c e of b i o n i c wi n g ． S o a c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s s o f t wa r e，n a me d F l u e n t w a s e mp l o y e d t O s o l v e N- S f u n c t i o n，b y w h i c h i n fl u e n c e o n a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e of t h e b i o n i c fl a p p i n g - wi n g r o b o t c a u s e d b y fl a p p i n g mo d e a n d e n v i r o n me n t a l a i r fl o w wa s a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y s h o w t h a t b i o n i c w i n g c a n g e t b i g l i ft f o r c e d riv e n b y s y mme t ri c al fl a p p i n g w i n g me c h a n i s m，a n d t h e l i ft a n d d r a g f o r c e s a r e i n c r e a s e d b y i n c r e a s i n g t h e fl a p p i n g f r e q u e n c y a n d i n l e t fl o w v e l o c i t y ．Ho w e v e r the d r a g f o r c e i n c r e a s i n g r a n g e i s r e l a t i v e l y s ma l l ，w h i c h p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s for t h e r e s e a r c h a n d ma n u f a c t u r e o f b i o n i c fl a p p i n g w i n g r o b o t ． Ke y wo r d s Bi o n i c fl a p p i n g - w i n g r o b o t ；F l u e n t ；L i ft c o e f fi c i e n t ；D r a g c o e f fi c i e n t 0前言 微扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新概 念飞行器。与传统的固定翼和旋翼飞行器相 比，微扑 翼飞行器的主要特点是将举升、悬停和推进功能集于 一 个 扑翼系统 ，具 有较强的机动性 。扑翼飞行是几 乎所有 自然界飞行生物普遍采用的飞行方式，鉴于仿 生扑翼机所具有的独特优势，使之成为微型飞行器发 展 的主要方向 。 与固定翼与旋翼飞行器相比，仿生扑翼机的气动 力研 究还处于初始阶段 ，由于仿生扑翼 机具有很低的 雷诺数，在这种状态下，不能用稳态空气动力学来解 释扑翼机产生的升力，因此对仿生扑翼机低雷诺数下 非定常气动力的研究是扑翼机研制中需要突破的关键 技术之一。目前对扑翼气动力的研究主要方法是实验 研究 ，通过实验测试和理论分析得出了一些公认的结 论 ，比如美国加州大学的 M i c h a e l D I C K I N S O N等 通 过实验得出昆虫是依靠延后失速 、旋转循环与尾流捕 获的共同作用来产生高升力的结论。然而 ，实验往往 受到模型尺寸、经费投入、人力和物力的巨大耗费的 限制，有时可能通过实验的方法得不到结果。 由于近年来计算流体力学 C F D的飞速发展， 数值模拟成为了流体力学研究的另一重要手段。数值 模拟可 以形象地再现流动情景 ，克服 了实验研究 的一 些缺点。根据计算流体力学的基本思想运用 F l u e n t 软 件 ，对前期设计的仿生扑翼机翅翼进行气动力分析 ， 求解在翅翼拍动作用下的绕流空气的流场特性 ，分析 扑动频率和来流速度对翅翼气动力的影响，以提高仿 生扑翼机 飞行 品质 。 1 仿生扑翼机翅翼模型及翅翼的运动分析 根据前期设计的仿生型对称扑翼机构进行翅翼的 运动规律分析 ，对称扑翼机构左右翼扑翼角度完全一 致 ，不存在扑动的滞后或超前现象 ，左右机翼产生的 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 - 1 1 基金项目中央高校基本科研业务费中国民航大学专项 3 1 2 2 0 1 3 c 0 1 0 作者简介杨永刚 1 9 7 8 一 ，男，博士，副教授 ，主要从事机器人技术方面的科研和教学工作。E m a i l y g y a n g c au c ． e du ．c no 通信 作者 谢友增 ，E m a i l x i e y o u z e n g y t 1 6 3 ． c o n。 第 1 5 期 张乐平基于扩展故障树的通用机床电控故障诊断专家系统研究 1 9 3 台，使用集成的商业智能工具提供了企业级的数据管 理。系统采用 A D O ． N E T完成数据集对象的建立后， 便可以通过 S Q L结构化查询语言对知识库实现操作 访问 。 为了维修档案向用户使用的规范文档的转换，需 要增加系统对于 Wo r d文档的操作。在建模与诊断平 台中，通过引用 Mi c r o s o f t O f f i c e ． I n t e r o p ． w0 r d实现与 Wo r d 对象模型进行交互。 6 结束语 综上所述，所设计的基于故障树的通用机床电控 故障诊断专家系统智能、简便、直观、工作稳定可 靠。将维修专家 、工程师的经验 、计算机技术和智能 故障诊断技术进行整合，研究开发的该基于故障诊断 专家系统的维修工具 ，从而帮助设备维修维护工作人 员快速、准确地找出故障原因，并提供维修建议和参 考取值等，对于通用机床设备现场抢修具有重要的现 实意义。后续将考虑将其改进 为用 于 P o c k e t P C平 台、基于关系数据库技术的故障诊断专家系统 ，实现 传统维修的便捷化 、智能化和规范化 。 参考文献 [ 1 ]P A N J ， T E K L U Y， R A N MA N S ， e t a1． A n I n t e r v a 1 ． b a s e d MADM A p p r o a c h t o t h e I d e n t i f i c a t i o n o f C a n d i d a t e A l t e r ． n a t i v e s i n S t r a t e g i c R e s o u r c e P l a n n i n g[ J ] ． I E E E T r a n s o n P o w e r S y s t e ms ，2 0 0 0 ，1 5 4 1 4 4 1 ～1 4 4 6 ． [ 2 ]杨盛泉 ， 刘萍萍． 基于故障树的梭式窑故障诊断专家系 统[ J ] ． 计算机应用研究， 2 0 0 8 ， 1 1 1 1 3 4 0 1 3 4 0 3 ． [ 3 ][ 印]s ． K ． B h a t t a c h a r y a S r i j i n d e r S i n g h ． 电气控制技术及 应用[ M] ． 陶国彬， 张秀艳 ， 译． 北京 科学出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 4 ]刘江． 基于故障树 的通用航空器故障诊断专家系统研 究[ D] ． 广汉 民航飞行学院， 2 0 1 1 ． [ 5 ]周希章． 电修手册 下册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ]赵明， 许寥． 工厂电气控制设备[ M] ． 2版． 北京 机械工 业 出版社 。 2 0 0 6 ． [ 7 ]宗群， 李光宇． 基于故障树 的电梯故障诊断专家系统设 计[ J ] ． 控制工程， 2 0 1 2 ， 3 2 3 0 5 3 0 8 ． [ 8 ]丁小磊． 基于故障树的建模与诊断平台应用研究 [ D] ． 北京 北京航空航天大学， 2 0 1 3 ． [ 9 ]彭智勇． 基于 P o c k e t P C的便携式故障诊断专家系统设 计[ J ] ． 装甲兵工程学院学报 ， 2 0 0 8 ， 2 1 6 2 - 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t y ， 2 0 1 4， 1 2 6 1 4 3 -1 5 2 ．