摘要
随着无人机技术和仿生学的不断发展，扑翼飞行器得到了越来越广泛的关注，并在国内外取得了众多进展。本文以蜻蜓为仿生研究对象，对蜻蜓的翅翼结构和扑动轨迹进行了分析研究，并根据所得结论设计出了一种耗材更少、力学性能更优的翼型，以及两种横纵比易控的仿蜻蜓扑翼运动传动装置。具体工作如下： （1）针对现有蜻蜓翅翼模型在准确性和工作量上难以平衡的问题，对现有三维膜脉模型建立方法进行了结合和优化，利用三维扫描技术和曲率提取技术实现了翅翼逆向重构，最终获得膜脉独立、准确性更高、工作量更小的蜻蜓翅翼三维膜脉模型。进一步基于所建模型，进行翅脉褶皱、细小填充及非均匀分布特征的力学分析，结果表明，只有密-疏结构特征在宏观和微观抗形变能力上均具有优越性。 （2）利用高速摄像系统对蜻蜓的扑翼行为进行动态捕捉，并利用图像处理软件对蜻蜓扑翼轨迹进行坐标提取，经分析对比发现蜻蜓扑翼轨迹具有特殊性。根据形态、对称性差异设计了7种不同的扑动轨迹，并基于MatLab平台对7种轨迹进行数学建模。进一步利用计算流体力学技术和动网格技术，基于Fluent软件平台对7种轨迹运动进行了流场结构和气动性能分析，结果表明，“8”轨迹的气动性能最好，“8-SSBB”轨迹的升力提升效果最好。 （3）依据翅翼、轨迹特征研究结论，进行了仿蜻蜓扑翼飞行器机翼及扑动机构设计。在均布载荷作用下，所设计机翼与常用混合型机翼相比，机翼最大形变量下降了8.0%，最大应变量下降了4.9%，耗材量减少了7.2%。依据扑动机构轨迹拟合目标，基于MatLab平台实现了装置运动的数学建模，并对设计参数进行了最优整数解求解。最终，实现了轮系机构的对称“8”字轨迹拟合，以及杆系机构的非完全对称“8”字轨迹拟合。基于三维建模软件，对装置进行了建模及仿真验证。 （4）提出了一种仿蜻蜓扑翼飞行器设计方案，依据飞行参数进行电机选择及减速装置设计，并在三维建模软件中对仿蜻蜓扑翼飞行器各机构进行建模及装配。最终，通过运动分析、干涉检测、质量估算及升力分析，验证了本文仿蜻蜓扑翼飞行器的运动可行性及设计合理性。并且由升力分析结果可知，与采用直线扑动模式的扑翼飞行器相比，采用仿蜻蜓扑动模式的扑翼飞行器具有更好的升力性能。
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