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扑翼微飞行器机翼结构设计及优化
摘要
扑翼微飞行器是一种体积小、重量轻、灵活机动的无人机。其机翼结构设计直接关系到飞行器的性能，因此本文针对扑翼微飞行器机翼结构进行设计与优化。首先，我们在满足载荷需求的前提下，选择了适合扑翼微飞行器的翼型和翼展，并运用有限元分析方法对机翼的结构强度和刚度进行分析。接着，通过参数化设计与优化算法，获取了最优的机翼形态。最后，进行了实验验证，测试了设计好的扑翼微飞行器的飞行性能。
关键词：扑翼微飞行器；机翼结构；有限元分析；优化设计；飞行性能
Abstract
Flapping-wingmicroaerialvehiclesaresmall,light,andagileunmannedaircraft.Thewingstructuredesignofflapping-wingmicroaerialvehiclesdirectlyaffectstheperformanceoftheaircraft.Therefore,inthispaper,wefocusonthedesignandoptimizationofthewingstructureofflapping-wingmicroaerialvehicles.Firstly,underthepremiseofmeetingtheloadrequirements,weselectedthewingtypeandwingspansuitableforflapping-wingmicroaerialvehicles.Thenweusedthefiniteelementanalysismethodtoanalyzethestructuralstrengthandstiffnessofthewings.Next,throughparameterizeddesignandoptimizationalgorithm,weobtainedtheoptimalwingshape.Finally,weconductedexperimentstoverifytheflightperformanceofthedesignedflapping-wingmicroaerialvehicle.
Keywords:flapping-wingmicroaerialvehicle;wingstructure;finiteelementanalysis;optimizationdesign;flightperformance
一、引言
随着无人飞行器技术的发展，扑翼微飞行器作为一种新型的机器人，因其灵活机动、无人驾驶等特点，逐渐受到了广泛的关注和研究。扑翼微飞行器是通过模拟鸟类和昆虫飞行方式制造的一种小尺寸无人机，其独特的机构和飞行特性使得其在很多领域具有广阔的应用前景，例如地质勘探、监测、农业、环保等领域。
扑翼微飞行器的机翼结构是扑翼微飞行器的重要组成部分，机翼的强度、刚度和重量直接关系到机器人的飞行性能，因此机翼的设计和优化是扑翼微飞行器研究的重点之一。传统的固定翼飞行器机翼设计方法不能适用于扑翼微飞行器，因此需要在分析扑翼微飞行器的飞行特性的基础上，对其机翼的结构进行设计和优化。
本文结合扑翼微飞行器结构特点和实际需求，采用有限元分析和优化算法，对扑翼微飞行器机翼结构进行设计和优化，最终得到一种较优的机翼形态，并通过实验验证其飞行性能。
二、机翼的选择
2.1机翼的翼型选择
机翼的翼型是机翼设计的基础，直接影响了飞行员的性能。根据前人的研究和经验，我们选择了NACA0015翼型作为扑翼微飞行器的机翼翼型。该翼型具有厚度相对较大，对横向气流的适应性较好，可在一定程度上提高扑翼微飞行器的稳定性。
2.2机翼的翼展选择
机翼的翼展决定了机翼的长度，是机翼设计中的一个重要参数。在确定机翼翼展时需要考虑载荷需求和机器人体积。为了提高机器人的承载能力和飞行稳定性，我们选择了较长的翼展。同时，在机器人体积较小的前提下，通过翼展的调整，可以增加扑翼微飞行器的机翼面积，提高飞行性能。
三、机翼结构的有限元分析
3.1有限元模型的建立
有限元分析是机翼结构设计的重要工具之一，可以通过数值模拟的方法对机翼结构的强度和刚度进行分析。在进行有限元分析前需要建立准确的有限元模型。
本次设计中，我们采用SolidWorks软件建立了扑翼微飞行器机翼的三维模型，然后将其导入到ANSYS软件中进行有限元分析。在建立有限元模型时，为了减小计算量和提高模拟准确性，将机翼按照不同的部位进行分区，并将复杂结构细化，得到了一个具有较高准确性的有限元模型。
3.2有限元分析结果及分析
通过有限元分析，得到了机翼的应力和变形分布如图1和图2所示。
图1机翼的应力分布
图2机翼的变形分布
从图1和图2中可以看出，机翼在跨向和弯