扑旋翼刚度和翼梢形状对气动升力和效率的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27779

流体力学与飞行力学

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扑旋翼刚度和翼梢形状对气动升力和效率的影响

贺媛媛(), 张航, 王琦琛, 杨炫

北京理工大学宇航学院，北京 100081

收稿日期:2022-07-08 修回日期:2022-08-30 接受日期:2022-10-25 出版日期:2023-06-25 发布日期:2022-11-04
通讯作者: 贺媛媛 E-mail:appleyuanyuan@bit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972079)

Effect of stiffness and wingtip shape on aerodynamic lift and efficiency of flapping wing rotors

Yuanyuan HE(), Hang ZHANG, Qichen WANG, Xuan YANG

School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China

Received:2022-07-08 Revised:2022-08-30 Accepted:2022-10-25 Online:2023-06-25 Published:2022-11-04
Contact: Yuanyuan HE E-mail:appleyuanyuan@bit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972079)

摘要/Abstract

摘要：

具有垂直起降及悬停性能的扑旋翼刚度分布和形状对其气动升力和效率的影响与传统仿昆虫扑翼明显不同。针对扑旋翼刚度和翼梢形状对其悬停飞行模式下的气动升力和效率的影响开展实验研究，研制了12种不同结构构型及翼梢后掠角的传统矩形扑旋翼样件和一种仿蜻蜓翅外形的扑旋翼样件，通过实验测试定量分析了各扑旋翼样件的展向和弦向刚度、翼梢刚度及形状对其运动、气动升力和效率的影响。结果表明，弦向刚度和翼梢形状对扑旋翼运动影响显著，优化展向和弦向刚度分布对翼膜的支撑和采用仿蜻蜓翅梢形状可显著提高扑旋翼的气动升力和效率。以本实验中采用的重量为30.1 g的扑旋翼模型为例，在输入电压3.4 V时，优化后的仿生扑旋翼平均升力（49.6 g）比初始矩形扑旋翼提高74%，升力效率从3.5 g/W提高到5.9 g/W。本研究对扑旋翼微型飞行器气动性能的提升具有重要意义。

关键词: 扑旋翼微型飞行器, 仿生扑旋翼, 扑旋翼刚度, 翼梢形状, 气动升力, 升力实验

Abstract:

The influence of stiffness distribution and shape of a Flapping Wing Rotor （FWR） on aerodynamic lift and efficiency is significantly different from that of the traditional insect like Flapping Wing （FW） in vertical take-off and landing and hovering. An experimental study was carried out to evaluate the effect of stiffness and wingtip shape of the FWR on its aerodynamic lift and efficiency in hovering. Based on a conventional rectangular shape， 12 wing test samples with different structural configurations and wingtip sweep angles were made， and were compared with a sample of dragonfly-like wing shape. Effect of spanwise and chordwise stiffness， wing tip stiffness and wing tip shape on motion， aerodynamic lift and efficiency of flapping wing rotor measured and analyzed through experimental tests. The test results show that chordwise stiffness and wingtip shape have significant effect on the FWR motion. An optimal spanwise and chordwise stiffness distribution to support the membrane skin and a dragonfly-like wingtip shape can increase the FWR aerodynamic lift and efficiency significantly. An FWR test model of 30.1 g was used in the study as an example. With an input voltage of 3.4 V， the test sample that was finally evolved into an optimal bionic wing produced an average lift （49.6 g）， which is 74% higher than the original rectangular wing， and the lift efficiency is increased from 3.5 g/W to 5.9 g/W. This research is of great significance to improving the aerodynamic performance of FWR-MAVs.

Key words: FWR-MAV, bionic flapping wing rotor, flapping wing rotor stiffness, wingtip shape, aerodynamic lift, lift experiment

中图分类号:

V276

贺媛媛, 张航, 王琦琛, 杨炫. 扑旋翼刚度和翼梢形状对气动升力和效率的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(12): 127779-127779.

Yuanyuan HE, Hang ZHANG, Qichen WANG, Xuan YANG. Effect of stiffness and wingtip shape on aerodynamic lift and efficiency of flapping wing rotors[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(12): 127779-127779.

图/表 24

图 1

表 1

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表 2

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参考文献 32

1	JONES K D， BRADSHAW C J， PAPADOPOULOS J， et al. Bio-inspired design of flapping-wing micro air vehicles［J］. The Aeronautical Journal， 2005， 109（1098）： 385-393.
2	DE CROON G C H E， DE CLERCQ K M E， RUIJSINK R， et al. Design， aerodynamics， and vision-based control of the DelFl_y ［J］. International Journal of Micro Air Vehicles， 2009， 1（2）： 71-97.
3	PHAN H V， PARK H C. Insect-inspired， tailless， hover-capable flapping-wing robots： Recent progress， challenges， and future directions［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2019， 111： 100573.
4	SHYY W， AONO H， CHIMAKURTHI S K， et al. Recent progress in flapping wing aerodynamics and aeroelasticity［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2010， 46（7）： 284-327.
5	MISHRA S， TRIPATHI B， GARG S， et al. Design and development of a bio-inspired flapping wing type micro air vehicle［J］. Procedia Materials Science， 2015， 10： 519-526.
6	YANG L J， FENG A L， LEE H C， et al. The three-dimensional flow simulation of a flapping wing［J］. Journal of Marine Science and Technology， 2018， 26（3）： 2.
7	HU H， KUMAR A G， ABATE G， et al. An experimental investigation on the aerodynamic performances of flexible membrane wings in flapping flight［J］. Aerospace Science and Technology， 2010， 14（8）： 575-586.
8	KARÁSEK M， MUIJRES F T， DE WAGTER C， et al. A tailless aerial robotic flapper reveals that flies use torque coupling in rapid banked turns［J］. Science， 2018， 361（6407）： 1089-1094.
9	WU J H， ZHOU C. Review on aerodynamics of bionic micro air vehicle in hovering flight［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2018， 36（1）： 64-79.
10	GUO S J， LI D C， MATTEO N， et al. Design， experiment and aerodynamic calculation of a flapping wing rotor micro aerial vehicle［C］∥52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics and Materials Conference. Reston： AIAA， 2011.
11	WU J H， ZHOU C， ZHANG Y L. Aerodynamic power efficiency comparison of various micro-air-vehicle layouts in hovering flight［J］. AIAA Journal， 2017， 55（4）： 1265-1278.
12	周超，吴江浩. 微型扑旋翼飞行器悬停的空气动力学研究［J］. 无人系统技术， 2018， 1（4）： 33-42.
	ZHOU C， WU J H. Aerodynamics of micro flapping rotary wings in hovering flight［J］. Unmanned Systems Technology， 2018， 1（4）： 33-42 （in Chinese）.
13	谢浩然，贺媛媛，陶志坚. 扑旋翼飞行器气动特性分析及机翼拓扑优化设计［J］. 南京航空航天大学学报， 2020， 52（2）： 280-287.
	XIE H R， HE Y Y， TAO Z J. Aerodynamic characteristics analysis and topology optimization design of wing of flapping rotorcraft［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2020， 52（2）： 280-287 （in Chinese）.
14	CHEN S， WANG L， HE Y Y， et al. Aerodynamic performance of a flyable flapping wing rotor with passive pitching angle variation［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2022， 69（9）： 9176-9184.
15	余春锦，昂海松. 柔性膜微型扑翼飞行器气动力的数值研究［J］. 中国科学技术大学学报， 2009， 39（12）： 1305-1310.
	YU C J， ANG H S. Numerical study of aerodynamics for flexible membrane flapping-wing MAV［J］. Journal of University of Science and Technology of China， 2009， 39（12）： 1305-1310 （in Chinese）.
16	DU G， SUN M. Effects of wing deformation on aerodynamic forces in hovering hoverflies［J］. The Journal of Experimental Biology， 2010， 213（Pt 13）： 2273-2283.
17	HEATHCOTE S， WANG Z， GURSUL I. Effect of spanwise flexibility on flapping wing propulsion［J］. Journal of Fluids and Structures， 2008， 24（2）： 183-199.
18	高强，徐江荣，王关晴. 柔性扑翼弦向形变气动特性的数值研究［J］. 杭州电子科技大学学报（自然科学版）， 2017， 37（6）： 86-90.
	GAO Q， XU J R， WANG G Q. Numerical simulation of the flapping wing with chordwise flexibility on the aerodynamic characteristics［J］. Journal of Hangzhou Dianzi University （Natural Sciences）， 2017， 37（6）： 86-90 （in Chinese）.
19	LIN C S， HWU C， YOUNG W B. The thrust and lift of an ornithopter’s membrane wings with simple flapping motion［J］. Aerospace Science and Technology， 2006， 10（2）： 111-119.
20	NAN Y H， KARÁSEK M， LALAMI M E， et al. Experimental optimization of wing shape for a hummingbird-like flapping wing micro air vehicle［J］. Bioinspiration & Biomimetics， 2017， 12（2）： 026010.
21	ZHOU C， ZHANG Y L， WU J H. Effect of flexibility on unsteady aerodynamics forces of a purely plunging airfoil［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2020， 33（1）： 88-101.
22	FAIRUZ Z M， ABDULLAH M Z， ZUBAIR M， et al. Effect of wing deformation on the aerodynamic performance of flapping wings： Fluid-structure interaction approach［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2016， 29（4）： 4016006.
23	LI H， GUO S. Aerodynamic efficiency of a bioinspired flapping wing rotor at low Reynolds number［J］. Royal Society Open Science， 2018， 5（3）： 171307.
24	GUO S， LI H， ZHOU C， et al. Analysis and experiment of a bio-inspired flyable micro flapping wing rotor［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 79： 506-517.
25	苏醒. 微型扑旋翼飞行器设计与试验［D］. 北京：北京理工大学， 2017： 64-74.
	SU X. The design and experiment of micro flapping wing rotor［D］. Beijing： Beijing Institute of Technology， 2017： 64-74 （in Chinese）.
26	DONG X， LI D C， XIANG J W， et al. Design and experimental study of a new flapping wing rotor micro aerial vehicle［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2020， 33（12）： 3092-3099.
27	SUN Y， LI D C， JIANG J Q， et al. Design and experimental study of a new flapping wing rotor micro aerial vehicle［C］∥2017 IEEE International Conference on Unmanned Systems （ICUS）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 29-33.
28	CHEN S， WANG L， GUO S， et al. A bio-inspired flapping wing rotor of variant frequency driven by ultrasonic motor［J］. Applied Sciences， 2020， 10： 412.
29	茹伟伟. 蜻蜓仿生翼设计及气动特性研究［D］. 长春：长春工业大学， 2022.
	RU W W. Design of dragonfly-like wing and research on its aerodynamic characteristics［D］. Changchun： Changchun University of Technology， 2022 （in Chinese）.
30	韩慧. 基于刚度相似性的扑翼结构设计与实验研究［D］. 北京：北京理工大学， 2022： 22-30.
	HAN H. Design and experimental study of flapping wing structure based on stiffness similarity ［D］. Beijing： Beijing Institute of Technology， 2022： 22-30 （in Chinese）.
31	CHEN L， ZHANG Y L， WU J H. Study on lift enhancement of a flapping rotary wing by a bore-hole design［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2018， 232（7）： 1315-1333.
32	XIE C M， HUANG W X. Vortex interactions between forewing and hindwing of dragonfly in hovering flight［J］. Theoretical and Applied Mechanics Letters， 2015， 5（1）： 24-29.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	名称	质量/g	数量
总计		30.1（29.16~30.1）	13
1	单翼重	1.63（1.16~1.63）	2
2	拍-扭运动机构	3.48	1
3	中心轴	0.7	1
4	推动套筒	0.1	1
6	传动杆	0.23	2
7	齿轮组	2.1	2
8	机身框架	6.9	1
9	电机	5.2	2
10	连接轴、胶水	0.6	1

[1]	杨文青郭越洋董渊博薛栋宣建林. 仿生柔性扑翼无人机流固耦合研究进展-"2024高性能无人机关键技术"专刊 [J]. 航空学报, 0, (): 0-0.
[2]	薛栋朱紫文宋笔锋. 仿鸟扑翼飞行器关键技术综述[J]. 航空学报, 0, (): 0-0.
[3]	贺媛媛, 杨炫, 韩慧, 王琦琛, 张航. 基于蜻蜓翅几何及刚度相似性的仿生扑翼结构[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 227987-227987.
[4]	郑和超, 王建辉, 胡紫阳, 张忠海, 何广平. 仿鸟扑翼飞行器气动力学建模精度测试[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 127525-127525.
[5]	李康康, 陈巍巍. 扑翼的变刚度设计及其对升力和推力的影响[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 423785-423785.
[6]	刘晶, 汪超, 谢鹏, 周超英. 基于PD控制的仿昆虫扑翼样机研制[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 223678-223678.
[7]	张威, 刘新杰, 刘艳, 王文波, 张博利. 带弹性元件扑翼机构的动力学分析及实验[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 423559-423559.
[8]	张威, 刘光泽, 张博利. 扑翼飞行器具有弹性阻尼扑动机构的能耗对比分析与研究[J]. 航空学报, 2018, 39(9): 421966-421979.
[9]	王颖;张广军;陈大志. 基于虚拟四目的立体视觉固定飞行昆虫运动参数测量系统[J]. 航空学报, 2005, 26(6): 733-737.
[10]	侯宇;方宗德;刘岚;傅卫平. 仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计方法[J]. 航空学报, 2005, 26(2): 173-178.
[11]	张弘志, 宋笔锋, 孙中超, 汪亮. 扑翼飞行器驱动机构回顾与展望[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 24024-024024.
[12]	年鹏, 宋笔锋, 宣建林, 王思琦. 扑翼飞行器动力系统建模方法[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 224646-224646.

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