一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质技术

本发明专利技术属于飞行器气动特性分析技术领域，特别涉及一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，包括以下步骤：设计扑翼的运动规律；计算扑翼运动产生的空气动力；利用升力和推力计算扑翼在空气动力作用下的柔性变形特征；利用柔性变形特征对初级扑翼的扑动角和扭转角进行修正，从而计算出考虑扑翼柔性变形效果的空气动力特性。本发明专利技术能有效分析仿生扑翼飞行器在飞行过程中扑翼的柔性变形，从而计算出考虑扑翼柔性变形效果的空气动力特性，为扑翼飞行器动力学特性建模和控制器设计建立基础，简化了对扑翼柔性变形问题的气动特性分析方法，满足了考虑扑翼柔性变形的扑翼飞行器的精度要求，为未来扑翼柔性气动力特性分析提供了新的思路和技术途径。了新的思路和技术途径。了新的思路和技术途径。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质


[0001]本专利技术属于飞行器气动特性分析
，特别涉及一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质。

技术介绍

[0002]从上世纪初至今，航空技术已经快速发展了100多年，研制出了各式各样的飞行器，在飞行速度、内部空间、运输承载能力等方面已经远远超越自然界的飞行生物。然而在相同的物理尺度下人造飞行器在上述方面却无法和自然界中的飞行生物相媲美。自然界中的飞行生物经过上亿年的进化，都选择扑翼作为飞行推进方式，且拥有人造飞行器无法比拟的卓越飞行性能。扑翼飞行器是近30年内出现的通过模拟鸟类和飞行昆虫外形、结构和飞行方式的一种新型飞行器。扑翼飞行器最明显的特征为其主体部分包含可多自由度运动的扑翼，通过扑翼的运动产生所需要的升力和推力。扑翼飞行是自然界中飞行生物最常用的飞行方式，具有较高的生物合理性，飞行控制灵活，气动效率高，其优势在微小型尺度下更为明显。现有的扑翼飞行器根据其扑动方式的不同可以分为仿鸟扑翼飞行器和仿昆虫扑翼飞行器。仿鸟扑翼飞行器与仿昆虫扑翼飞行器最主要差别在于扑翼的扑动动作、扑动频率和扑动面的方向这三个方面。扑翼飞行器和鸟类的飞行方式类似，通过扑翼的运动就可以产生灵活飞行的推力和升力，因此扑翼飞行器较正常的固定翼式飞行器的气动效率要高很多。
[0003]李喜喆在文献《多段仿生扑翼机柔性翅翼及尾翼气动分析》中对多段式仿生扑翼飞行器的扑翼和尾翼的气动特性进行了研究，分析了扑翼在不同参数组合下运动所产生的空气动力变化情况，为扑翼飞行器空气动力学特性研究提供了参考依据；曾锐在文献《柔性扑翼的气动特性研究》中在原有的匀速运动扑翼模型中引入行程比影响因子，弦向扭转函数和展向扭转函数来模拟柔性扑翼的运动规律，对比仿真结果表明，扑翼的柔性变化可以改善扑翼的气动特性；胡明朗在文献《仿昆扑翼飞行器的翅膀惯性力分析》中分析了不同质量翅膀的惯性力作用，对比分析在是否考虑惯性力的情况下扑翼所产生空气动力的变化情况，为多体动力学建模提供了基础。
[0004]综上可知，目前在扑翼飞行器气动力特性分析方面存在的主要问题是：无法定量描述扑翼的变形程度；未考虑扑翼的柔性变形效果对扑翼气动力特性的影响；扑翼柔性变形效果计算耗时长，不满足控制的实时性需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法、计算机设备及存储介质，解决了目前在扑翼飞行器气动力特性分析方面存在的主要问题。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，以双段翼结构的扑翼飞行器作
为研究对象，与机身直接相连的扑翼称为次级扑翼，非直接相连段为初级扑翼，包括以下步骤：
[0008]S1、设计扑翼的运动规律：
[0009]建立扑动过程中的扑翼扑动规律，得到扑动过程中当前时刻初级扑翼的扑动角；
[0010]建立扑动过程中扑翼扭转规律，得到扑动过程中当前时刻初级扑翼的扭转角；
[0011]S2、计算扑翼运动产生的空气动力：
[0012]根据面元相对于来流的风速及空气动力系数得到某时刻扑翼以此状态运动产生的空气动力；
[0013]将各面元上的空气动力向扑翼坐标系转换，得到平行于扑翼坐标系方向的升力和沿着扑翼坐标系方向的推力，通过对扑翼平面上各面元的积分得到整个扑翼平面运动产生的升力和推力；
[0014]S3：利用升力和推力计算扑翼在空气动力作用下的柔性变形特征；
[0015]S4：利用柔性变形特征对初级扑翼的扑动角和扭转角进行修正，从而计算出考虑扑翼柔性变形效果的空气动力特性。
[0016]进一步，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立下扑过程中扑翼扑动规律，得到下扑过程中当前时刻次级扑翼的扑动角度和当前时刻初级扑翼的扑动角度；具体为：
[0017]下扑过程中，当前时刻次级扑翼的扑动角度为：
[0018]β
s
＝β
si
‑
A
βs
+A
βs cos(2πf
d
T)；
[0019]当前时刻初级扑翼的扑动角度为：
[0020]β
p
＝β
s
+β
pi
[0021]其中，β
s
为当前时刻次级扑翼的扑动角度；β
si
为次级扑翼的初始扑动角度；A
βs
为次级扑翼的扑动幅值；β
p
为当前时刻初级扑翼的扑动角度；β
pi
为初级扑翼的初始扑动角度；f
d
为下扑过程的扑动频率；T表示当前时刻在单个扑动周期中所对应的时刻。
[0022]进一步，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立下扑过程中扑翼扭转规律，得到下扑过程中当前时刻初级扑翼的扭转角和当前时刻次级扑翼的扭转角；具体为：
[0023]下扑过程中，当前时刻次级扑翼的扭转角为θ
s
，当前时刻初级扑翼的扭转角为θ
p
，改变扭转角的时刻为e
p
；
[0024]当0≤T≤e
p
时，其计算公式为：
[0025][0026][0027]当时，其计算公式为：
[0028]θ
s
＝θ
sd
；
[0029]θ
p
＝θ
pd
；
[0030]当时，其计算公式为：
[0031][0032][0033]其中，
[0034]其中，θ
sd
为下扑阶段次级扑翼的扭转角幅度；θ
su
为上扑阶段次级扑翼的扭转角幅度；θ
pd
为下扑阶段初级扑翼的扭转角幅度；θ
pu
为上扑阶段初级扑翼的扭转角幅度；T表示当前时刻在单个扑动周期中所对应的时刻。
[0035]进一步，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立上扑过程中扑翼扑动规律，得到上扑过程中当前时刻次级扑翼的扑动角度和当前时刻初级扑翼的扑动角度；具体为：
[0036]上扑过程中，当前时刻次级扑翼的扑动角度为：
[0037][0038]当前时刻初级扑翼的扑动角度的计算公式为：
[0039][0040]式中：β
s
为当前时刻次级扑翼的扑动角度；β
si
为次级扑翼的初始扑动角度；A
βs
为次级扑翼的扑动幅值；β
p
为当前时刻初级扑翼的扑动角度；β
pi
为初级扑翼的初始扑动角度；T表示当前时刻在单个扑动周期中所对应的时刻。
[0041]进一步，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立上扑过程中扑翼扭转规律，得到上扑过程中当前时刻初级扑翼的扭转角和当前时刻次级扑翼的扭转角；具体为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，其特征在于，以双段翼结构的扑翼飞行器作为研究对象，与机身直接相连的扑翼称为次级扑翼(1)，非直接相连段为初级扑翼(2)，包括以下步骤：S1、设计扑翼的运动规律：建立扑动过程中的扑翼扑动规律，得到扑动过程中当前时刻初级扑翼(2)的扑动角；建立扑动过程中扑翼扭转规律，得到扑动过程中当前时刻初级扑翼(2)的扭转角；S2、计算扑翼运动产生的空气动力：根据面元相对于来流的风速及空气动力系数得到某时刻扑翼以此状态运动产生的空气动力；将各面元上的空气动力向扑翼坐标系转换，得到平行于扑翼坐标系方向的升力和沿着扑翼坐标系方向的推力，通过对扑翼平面上各面元的积分得到整个扑翼平面运动产生的升力和推力；S3：利用升力和推力计算扑翼在空气动力作用下的柔性变形特征；S4：利用柔性变形特征对初级扑翼(2)的扑动角和扭转角进行修正，从而计算出考虑扑翼柔性变形效果的空气动力特性。2.根据权利要求1所述的一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，其特征在于，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立下扑过程中扑翼扑动规律，得到下扑过程中当前时刻次级扑翼(1)的扑动角度和当前时刻初级扑翼(2)的扑动角度；具体为：下扑过程中，当前时刻次级扑翼(1)的扑动角度为：β
s
＝β
si
‑
A
βs
+A
βs cos(2πf
d
T)；当前时刻初级扑翼(2)的扑动角度为：β
p
＝β
s
+β
pi
其中，β
s
为当前时刻次级扑翼(1)的扑动角度；β
si
为次级扑翼(1)的初始扑动角度；A
βs
为次级扑翼(1)的扑动幅值；β
p
为当前时刻初级扑翼(2)的扑动角度；β
pi
为初级扑翼(2)的初始扑动角度；f
d
为下扑过程的扑动频率；T表示当前时刻在单个扑动周期中所对应的时刻。3.根据权利要求1所述的一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，其特征在于，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立下扑过程中扑翼扭转规律，得到下扑过程中当前时刻初级扑翼(2)的扭转角和当前时刻次级扑翼(1)的扭转角；具体为：下扑过程中，当前时刻次级扑翼(1)的扭转角为θ
s
，当前时刻初级扑翼(2)的扭转角为θ
p
，改变扭转角的时刻为e
p
；当0≤T≤e
p
时，其计算公式为：时，其计算公式为：
当时，其计算公式为：θ
s
＝θ
sd
；θ
p
＝θ
pd
；当时，其计算公式为：时，其计算公式为：其中，其中，θ
sd
为下扑阶段次级扑翼(1)的扭转角幅度；θ
su
为上扑阶段次级扑翼(1)的扭转角幅度；θ
pd
为下扑阶段初级扑翼(2)的扭转角幅度；θ
pu
为上扑阶段初级扑翼(2)的扭转角幅度；T表示当前时刻在单个扑动周期中所对应的时刻。4.根据权利要求1所述的一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，其特征在于，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立上扑过程中扑翼扑动规律，得到上扑过程中当前时刻次级扑翼(1)的扑动角度和当前时刻初级扑翼(2)的扑动角度；具体为：上扑过程中，当前时刻次级扑翼(1)的扑动角度为：当前时刻初级扑翼(2)的扑动角度的计算公式为：式中：β
s
为当前时刻次级扑翼(1)的扑动角度；β
si
为次级扑翼(1)的初始扑动角度；A
βs
为次级扑翼(1)的扑动幅值；β
p
为当前时刻初级扑翼(2)的扑动角度；β
pi
为初级扑翼(2)的初始扑动角度；T表示当前时刻在单个扑动周期中所对应的时刻。5.根据权利要求1所述的一种仿生扑翼飞行器柔性扑翼气动特性分析方法，其特征在于，S1中，扑动过程包括上扑和下扑，建立上扑过程中扑翼扭转规律，得到上扑过程中当前时刻初...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳一农，方群，王小龙，王明超，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：