类扑翼飞行器及其叶片流场特性研究

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扑翼飞行器是模仿昆虫或鸟类拍翅运动而设计的，它具有垂直起降、悬停、各向运动等功能。相对于固定翼和旋翼飞行器，扑翼飞行器具有结构简单、质量轻、成本低、效率高等诸多优点。因此，扑翼飞行器在国防和民用领域具有广泛的应用前景。

扑翼飞行器主要是靠叶片拍动而产生升力，扑翼高效运动的实现是扑翼飞行器的难点。目前世界各国都投入了大量的人力、物力对扑翼飞行器进行研制。美国佐治亚理工学院和英国剑桥大学共同研制了靠往复化学肌肉驱动扑翼上、下拍动产生动力的微型扑翼飞行器Entomopter[]，加州理工学院研制的微型蝙蝠”扑翼飞行器乜 是利用钛合金骨架蒙以聚合物收稿 日期：2012-1l～27作者简介 ：张玉华(1961-)，男，江苏海门人，博士，教授 ，硕士生导师，主要从事机构学、机械动力学与虚拟样机方面的研究.E-mail：yhzhang###ahut.edu.ca· 404 · 机 电 工 程 第30卷薄膜构成的机翼，多伦多大学的大型人工动力扑翼飞行器雪鸟”采用翼尖具有-定柔性的机翼产生升力。国内对扑翼飞行器的研究较晚，但也取得了很大的成果，南京航空航天大学、东南大学、北京航空航天大学等也研制了各种扑翼飞行器，其中南京航天航空大学研制的弧度型扑翼飞行器比直翼型扑翼飞行器提供的升力更大b]。

无论是国外柔陛机翼还是国内弧度型机翼的扑翼飞行器，它们注重对动物肢体运动的单纯模仿，需要专用的扑翼机构将发动机的转动转换成扑翼的上、下摆动。为了简化扑翼机构的结构和运动控制，本研究采用半转机构 及内凸轮啮合传动b 设计-种新型的扑翼飞行器，其叶片做不对称的拍动”，称为类扑翼飞行器；基于提出的类扑翼飞行器的结构组成，分析叶片运动原理，揭示该飞行器的升力特性和机动性控制机制；建立叶片流场的有限元分析模型，通过数值计算和仿真分析，探索叶片流尝叶片结构和升力之间的变化规律，旨在为类扑翼飞行器的设计奠定理论基矗1 结构组成与叶片运动原理类扑翼飞行器由机体、中心轴 、回转架、叶片及销齿轮、内凸轮 、锥齿轮及主传动系统、控制系统等组成 ]，三维模型图如图1所示。

图1 类扑翼飞行器三维模型图1-机体 ；2- 中心轴；3-回转架； 叶片；5-销齿轮 ；6--内凸轮；7-大齿轮；8-锥齿轮；9主传动系统；1 控制系统叶片及其轴端固连的销齿轮支撑在回转架的转臂两端，销齿轮与内凸轮啮合，构成叶片运动的半转机构。同-侧半转机构中两叶片的相位差始终为90o。当回转架转动时，叶片绕中心轴公转的同时绕自身轴线进行自转，自转角速度为公转角速度的1/2，且转向方向相同。叶片的旋转运动合成产生类似扑翼拍动”的效果。

主动力通过锥齿轮啮合传递给机体两侧的半转机构，产生大小相等、方向可变的升力。两侧半转机构共用-个动力系统，转向相反。这样既能保证推进力方向-致，又能保证两侧半转机构产生的惯性力矩相互平衡。

内凸轮、大齿轮和控制机构等组成升力方向控制系统。机体两侧的控制机构分别改变内凸轮的初始位置，叶片产生的升力方向将随内凸轮的转角而实时变化。当机体两侧的升力方向垂直向上时，可实现垂直升降；升力同时向前或向后偏转可实现前后移动；升力异向偏转可实现转向运动。

2 叶片流场分析建模叶片是类扑翼飞行器提供升力的主要部件，为了分析叶片升力的产生机制和变化规律，研究者需要对叶片周围的流撤境进行建模 ，以获得合理的叶片流场特性计算模型。

2.1 流称算区域的确定类扑翼飞行器有两组对称于机体的半转机构，它们 的结构完全相同 ，机体两侧 叶片布置相位差为90。。当叶片同步转动时，机体两侧叶片产生的主升力矢量是相同的，不妨以机体-侧的运动双叶片为建模对象〖虑到叶片的轴向长度大于径向尺寸，叶片轴端的流体对叶片升力的影响较小，为了简化计算，笔者将叶片的流场分析模型简化为平面模型" 。根据对半转机构的运动分析，叶片在公转-周的过程中，叶片 自转半周。叶片周围的流体随着双叶片的位置和各点的速度变化产生复杂的流动。

为了模拟不同区域的流体运动，本研究将双叶片及其周围环境划分为4个区域 ，双叶片流畅区域与有限元网格如图2所示。图中，outer为外部环境，该区域半径在保证不影响域流场特性情况下，尽量选用较小半径 ，以减少计算量。mid为叶片的公转区域，Inl和In2分别为两个叶片的自转区域。为了较为准确地模拟区域内流体的流动，两个 自转区域半径分别比叶片的宽度稍大-些，并且保证两区域问留有间隙，mid区域要将两自转区域包含在内，并留有间隙。

2.2 网格划分及边界条件由于叶片与流体的接触边界是曲线，网格类型采用平面三角形网格，有利于提高计算的速度和精度并保证网格结构的规则性〖虑叶片在静止的流场中开始运动 ，由于两个叶片的相互作用 ，自转区域和公转区域的流场变化较大，而outer区域的相对较屑虑到叶片边缘的厚度较小，Inl和In2区域的网格大小(interval size)设置为 1，mid区域和outer区域的网格分别为2和3，如图2所示。

假设叶片在流体运动中变形较小，不考虑流固耦· 4O6· 机 电 工 程 第30卷叶片在0。和90。时的压力分布曲线如图4(a)所示，由图可知，水平叶片上部 I区域为负压，且叶片上表面压强值由叶片左端到右端递增；叶片下侧Ⅱ区域为正压，叶片下表面压强由叶片左侧到右侧也逐渐递增。垂直叶片两侧区域Ⅲ和区域Ⅳ上部为负压，下部为正压 ，叶片上部两侧压强差较小 ，而下部两侧的压强差较大。

叶片在45。和135。时的压力分布曲线如图4(b)所示 ，由图可知，I区域、Ⅱ区域和Ⅲ区域均为正压。压力值在 I区域和Ⅱ区域较大，Ⅲ区域压力值较小，Ⅳ区域为负压。压力总体分布从叶片外侧边缘向两叶片中心处递减，上叶片下半部下表面压力分布几乎与下叶片下半部上表面的相同。因此，双叶片在运动中存在很强的相互影响。

3.3 不同机构参数对升力的影响在类扑翼飞行器叶片转动过程中，叶片表面的分布压力可合成为定向升力或推力，根据流体动力学理论 ，其大小与升力系数C 成正比。当叶片的结构尺寸和转速相同时，升力系数 C 的变化规律反映了叶片在不同位置时升力变化。

因此，本研究给定相同的转速，对3种不同机构的叶片流场特性进行仿真计算，输出其中左侧叶片在转动-周的过程中升力系数变化曲线，3种机构参数的升力系数曲线如图5所示。

0.90000.80oO0.7000O.60oO0.50000.40000-3ooOO.200OO.1ooOO.Oo0O0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 O.6f，s图5 3种机构参数的升力系数曲线a，b，c-机构 I、机构 Ⅱ、机构Ⅲ的叶片升力系数曲线。

对比图5中3种机构参数的叶片升力系数曲线可知，叶片在公转-周的过程中，升力最大值出现在0.3 s即叶片转动到水平位置，且前半周的升力系数明显大于后半周的。

机构 I的升力系数最大值为0.72，机构 Ⅱ升力系数最大值为0.5，机构Ⅲ升力系数最大值为0.9。由图5中曲线a和b可知，相同中心距下增大叶片尺寸，显然通过增加迎流面积能够有效地增加升力。分析曲线a和c可知，在叶片尺寸不变的情况下，适当增加两叶片中心距，显然增加叶片公转的线速度也能使升力系数得到显著增加。计算结果表明：适当地增加叶片尺寸和两叶片之间的中心距能够有效地提高推进器的升力，这与理论分析结果是-致的]。

4 结束语本研究提出了-种新型类扑翼飞行器，其结构组成简单、主传动机构效率高、升力方向控制灵敏。基于FLUENT，笔者建立了双叶片运动的流场特性有限元模型，分析确定了计算区域、边界条件及计算模型，对3种不同机构参数的叶片运动流场特性进行了仿真计算与分析，获得了叶片运动流场的速度矢量和叶片表面压力分布变化规律以及升力系数变化规律。

研究结果表明：在-个运动周期中双叶片周围的流场速度矢量、压力分布和升力系数是随叶片方位变化的，两个叶片之间存在很强的相互影响；前半周的叶片升力系数大于后半周的升力系数；通过增加叶片大型两叶片的中心距可有效提高升力系数。

该研究对于指导修正类扑翼飞行器的升力计算数学模型具有重要的指导意义。