压电驱动微型扑翼飞行器的分析及设计研究

作     者：朱兆凯 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴越

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：微型扑翼飞行器 压电驱动器 紫外激光加工 

摘      要：扑翼形式的飞行器相比固定翼和旋翼形式具有更加灵活、隐蔽性高、机动性强、不受地形限制等优点。目前人们对鸟类的研究已经获得相当一部分成果,而在更小尺度的昆虫身上,同样存在很多对科学技术发展和社会进步有巨大益处的奥秘。几十年间,为了实现飞行器性能的提升,科研人员对昆虫的飞行机理进行了很多探索,其卓越的灵活性、隐蔽性和敏捷性对于侦察、探测、搜救和监测等军用和民用领域的意义不言自明。本文以昆虫为原型,主要开展了如下工作:对昆虫的翅翼结构和扑翼飞行机理进行研究,利用叶素法建立了准定常空气动力学模型,分析了昆虫飞行主要的四种载荷,针对能量效率问题建立了一种能耗模型,从而更好地分析能量密度问题。通过对昆虫胸腔结构的研究分析设计了一种四连杆机构和柔性铰链传动机构;采用一种悬臂梁式双压电晶片结构设计出压电驱动器,并对其运动规律和参数做出研究;以双翅目昆虫为仿生对象设计出翅翼结构并设计出机身及其他结构以进行匹配;考虑到装配难度将传动机构和机身分别设计;对各部分的空间位置进行了合理布局。采用智能复合微结构工艺和碳纤维、玻璃纤维等轻质非金属材料对飞行器各部分进行了制造并使飞行器具有相当的强度和刚度,最终获得的飞行器样机具有110mg的重量,37mm的翼展,整机共振扑动频率约为65Hz,扑动角度约为60°;针对具体的步骤进行了合理的优化设计;对制造出的样机进行了测试平台的搭建;对零件和整机进行了性能测试,验证了本文设计原理及思路的正确性;为后续研究做出了铺垫,提供了可行的方法。