昆蟲柔性翼的本構(gòu)關系及靜動力特性研究.pdf

1、近幾年，隨著微飛行器概念的提出，人們開始了對昆蟲飛行的仿生研究。按照傳統(tǒng)空氣動力學無法解釋昆蟲的飛行，目前對昆蟲飛行機理的認識正在逐步深入和提高。有學者預計，昆蟲飛行的特殊機制包括兩點：拍翅模式和柔性變形。昆蟲正是通過主動的控制飛行以及翅膀自身的被動變形兩者方式的結(jié)合來達到優(yōu)化空氣動力性能的目的，并從而實現(xiàn)其高超的飛行技能。本論文圍繞這兩點，對與其相關的重要問題進行了研究和探討。從第一手的實驗數(shù)據(jù)以及測量方法著手，對昆蟲翅結(jié)構(gòu)、材料、靜

2、動力學特性、自由飛行中的拍翅方式及翅膀變形等進行了一些研究。 提出將投柵的辦法應用于昆蟲翼三維形貌以及靜載下變形的測量。采用四步相移法獲取位相，可以很好的避免背景和噪聲的干擾，特別適合于昆蟲翅測量中光照條件不夠好的情況。另外，本文采用基于調(diào)制度分析的最小二乘位相去包絡算法進行位相解調(diào)，進一步提高了實驗精度。根據(jù)靜載下變形的測量結(jié)果，基于翅膀條桿假設，獲得了翅膀扭轉(zhuǎn)剛度沿展向的分布規(guī)律。 通過蜻蜓脈的應力松弛實驗，驗證了蜻

3、蜒翼的粘彈性本構(gòu)關系，并提出了相應的標準線性固體本構(gòu)模型，測量了相應的本構(gòu)特征參數(shù)。通過理論推導和數(shù)值模擬，說明昆蟲翼中具有的粘性項增強了昆蟲飛行中的動態(tài)剛度，從而避免了昆蟲高頻飛行中翅膀大變形的出現(xiàn)，起到明顯的抗振作用，因此有很好的抗外界干擾能力。通過對蜻蜓翼往復拍動的模擬，發(fā)現(xiàn)彈性翼變形幅度過大且有明顯的高次諧波出現(xiàn)，明顯與真實情況不符；而粘彈性翼的高次諧波影響甚微，很快就可以達到穩(wěn)定的周期變形，與真實情況符合。因此，粘彈性本構(gòu)模型

4、是昆蟲翼材料屬性的合理描述。 本文還使用多普勒測振儀測量了蜻蜒翼的動力學參數(shù)，得到固有頻率及其對應模態(tài)，并根據(jù)實驗結(jié)果簡要分析了昆蟲翼的結(jié)構(gòu)特征以及柔性變形特點。 介紹了自主開發(fā)的由三棱鏡實現(xiàn)的虛擬雙目立體視覺測量系統(tǒng)，并將其應用于自由飛行蜻蜒的運動參數(shù)測量。通過建立昆蟲隨體坐標系和翅膀坐標系，本方法可以很好地將昆蟲飛行的翅膀拍動及變形與身體位置姿態(tài)聯(lián)系起來綜合考察，對于觀察昆蟲飛行規(guī)律，探索飛行機理有著很好的應用前景。