[发明专利]一种三维蜻蜓前后翼褶皱模型及其构建方法

说明书

本发明公开了一种三维蜻蜓前后翼褶皱模型及其构建方法包括三维褶皱蜻蜓翼模型和三维蜻蜓躯干模型，三维褶皱蜻蜓翼模型包括蜻蜓三维前翼褶皱模型和蜻蜓三维后翼褶皱模型，蜻蜓三维前翼褶皱模型包括前翼型，前翼型包括翅膀，翅膀上设置有褶皱结构，翅膀由翅脉和翅膜组成，翅脉包括横脉和纵脉，纵脉和横脉交叉连接形成封闭的区域得到翅模面，所有区域中填充翅膜完成后得到蜻蜓前翼二维平面模型，褶皱结构由蜻蜓前翼二维平面模型中的翅膜面偏转形成；本发明更贴近蜻蜓真实飞行的情况，可以在进行仿真模拟过程中同时考虑蜻蜓翼和蜻蜓躯干对蜻蜓整体气动特性的影响；该方法可以有效克服对设备高要求的缺点，方法简单，成本低廉，可操作性强。

技术领域

本发明涉及微型飞行器技术领域，尤其涉及一种三维蜻蜓前后翼褶皱模型及其构建方法。

背景技术

蜻蜓作为自然界最优秀的飞行者之一，是最适合FMAV(微型扑翼飞行器)仿生的物种之一，蜻蜓的气动特性一直备受国内外学者的关注。蜻蜓可实现向前、向后、向左右两侧飞行、空中悬停、俯冲和急转等机动动作，在捕杀猎物时甚至还可以作短距离的上下垂直飞行，具有极其优秀的飞行性能。蜻蜓优异的空气动力学性能来源于蜻蜓的主要空气动力学构件----蜻蜓翼。蜻蜓翼结构十分复杂，但又薄且轻，占其总体重的1％～2％左右，具有非常好的稳定性和极高的承载能力。

蜻蜓翼主要由对翅膜起连接及支撑作用的管状翅脉和很薄的翅膜(厚度4微米)组成，翅膜被翅脉分成三角形，四边形，五边形，六边形。翅脉是一种质量轻且性能优良的类桁架结构，是蜻蜓的主要承载结构，在力学性能中发挥关键作用，而翅膜则是翅膀产生空气动力的主要结构。蜻蜓翼横截面的形状沿展向呈褶皱状，整个横截面上的厚度也有细微差异，是蜻蜓翼上最为显著的结构，大量研究表明褶皱结构在蜻蜓飞行过程中不仅能降低蜻蜓翼的摩擦阻力，而且能增加翅膀的刚度。所以在进行仿真模拟中，褶皱结构的影响是不能忽略的，同时考虑翅脉和翅膜的影响才能真实反映蜻蜓翼的空气动力学性能和力学性能。

为探究蜻蜓翼的空气动力学和力学性能，国内外科学家进行了大量实验和仿真模拟，而是否拥有并采用高精度准确的蜻蜓翼模型往往是决定实验和仿真模拟成功与否的关键因素。为了得到准确的蜻蜓翅膀的三维褶皱模型，人们采用了各种技术和方法，如扫描电镜技术、微型计算机断层扫描技术，激光扫描技术等，但是这些方法对技术设备的要求非常高，且经济性不好。

目前大多数的实验研究和数值分析中，学者们常将蜻蜓翅膀简化为一个仅具有翅膀外轮廓的平板模型，然而在对蜻蜓翅膀形态和结构的研究中发现蜻蜓翅膀结构复杂，看似一个二维平面结构，实际上是一个空间立体三维褶皱结构。国内对蜻蜓翼气动特性和力学性能的研究起步较晚，且大多情况下由于用于实验或仿真模拟的模型与真实情况下的蜻蜓翼相去甚远，导致最后的结果和结论具有一定的局限性。通过查阅资料可知，广泛应用于研究的蜻蜓翼模型有：二维蜻蜓翼平板模型，二维标准翼型，三维蜻蜓翼平板模型，三维蜻蜓翼褶皱模型等，并且考虑到模型的精确程度和蜻蜓在真实飞行状态下蜻蜓翼的柔性变形，最终得出的研究结果的局限性和误差性就特别凸显出来了，具体体现在人们对蜻蜓翼做了过多的简化，例如，在研究空气动力学性能时，假设翼面形状与蜻蜓翼相同，忽略了微结构的作用；在研究变形和结构性能时，则考虑其微结构的作用，而忽略了翅膜的作用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种三维蜻蜓前后翼褶皱模型及其构建方法。