[发明专利]一种基于鸮翼的仿生缝翼的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器机翼的设计技术，涉及对现有飞机前缘缝翼剖面曲线设计方法的改进。

背景技术

在低速飞行时，机翼前缘附近经常是一段层流边界层。由于表面的逆压梯度很大，导致边界层发生分离，严重影响翼型的性能。为了改善在起飞和降落过程中飞行器的升力特性，在机翼的前缘都装有提高升力的辅助设备，称为缝翼。在飞机前缘缝翼的概念设计中，缝翼内型曲面及固定翼前缘外形的设计非常关键。当前，常用的方法是先在展向放置多个由离散点给出的剖面，然后利用样条曲线拟合缝翼内型和固定翼前缘外形。此方法需反复定义才能得到较为光滑的剖面，但数据较多，工作效率低下，曲面曲率的连续性也不好，导致对增升效果有一定的影响。为此，本发明以具有良好低速滑行能力的鸮为母本，提取其小翼羽的剖面作为仿生缝翼。此设计方法不仅简单实用，而且能保证曲面曲率的连续性，同时还能阻止或延迟层流分离，从而大幅地提高其气动性。

通过国内外相关文献检索，在飞行器的设计领域中，尚未见到有基于鸮翼小翼羽的仿生缝翼。本发明根据力学仿生原理研究了鸮飞行时的特征结构，通过鸮翼的三维扫描模型确定其二维剖面的特征信息，进而得到仿生翼型。在此基础上构建了基于小翼羽的仿生缝翼，并应用到提升仿生翼型的力学性能的仿生设计中，之后针对仿生结构在流场的影响，进行了升力系数和流场结构的测定，验证了该设计的合理性。

发明内容

针对飞行器前缘缝翼的概念设计中面临的设计时间长、效率低下等问题，本发明旨在提出一种基于自然界中的鸮翼的仿生缝翼的设计方法，即从鸮的翅膀剖面中提取小翼羽的几何信息，并以此设计仿生缝翼。从而在保证缝翼内型和固定翼外形曲面曲率的连续性的前提下，提高缝翼设计效率，缩短工时，同时产生良好的升力特性。

本发明主要通过以下步骤实现：

一种基于鸮翼的仿生缝翼的设计方法，以具有良好低速滑行能力的鸮为母本，采用三维扫描、曲线拟合等完成缝翼剖面曲线的设计，具体步骤如下：

(1)确定鸮翼的飞行姿态

采用高速摄像机来跟踪拍摄鸮的定点飞行，以此来分析其翅膀的变化规律，从而将其降落前的滑翔作为采样用的飞行姿态；

(2)去除扭转，对固定的鸮翼进行扫描

对鸮翼进行一定扭转来消除相对转角，同时鸮翼的前缘垂直于飞行方向，然后将调整过的鸮翼固定在平板上，并利用三维扫描设备进行扫描；

(3)删除三维扫描中有羽毛翘曲产生的奇异点，同时去掉翼尖附近的弦长过小的几何结构，提取鸮翼的三维几何结构；

(4)对扫面后的三维模型进行剖分

针对从小翼羽的翼尖到鸮翼的翼根的这段翼展，来提取相应的翼型；由于鸮翼表面羽毛分布不均，导致表面的粗糙度很大，因此沿展向等距提取多个剖面，以便提炼后得到的翼型能更好地接近自然鸮翼的剖面，并对其进行光顺化处理；

(5)提取展向剖面的弯度和最大厚度，并对其拟合，进而对其进行平均化；

(6)利用翼型分布公式，构建仿生翼型；

(7)基于仿生翼型构建仿生缝翼。

进一步地，还包括步骤(8)测量应用仿生结构前后仿生翼型的力学参数，并剖析其改变的原因；(9)显示仿生结构的流场，并分析其在流场中的作用。

上述步骤(4)是通过沿展向等距提取2-200个剖面，进行光顺化处理。

上述步骤(5)是先对步骤(4)中提取的2-200个剖面的弯度和最大厚度进行拟合，而后对其进行平均化。

上述步骤(6)是将步骤(5)提取的弯度和最大厚度的平均值分别带入到Birnbaum-Glauert中弧线分布公式和厚度分布公式，然后将中弧线和厚度的分布带入剖面的上下翼面曲线分布公式中，构建出仿生翼型。

上述步骤(7)是利用小翼羽的下表面曲线在步骤(6)的翼型的基础上进行剖分，得到小翼羽的剖面，从而构建出相对于仿生翼型弦长的仿生缝翼。

结合附图中的实例可知，自然界中的鸮类翅膀不易直接应用到工程实际，需对其进行进一步处理，以便能相对简单地为工程结构所用。

需要注意的是：步骤(6)和(7)中要保证所得到的仿生结构具有工程意义，必须保证三维扫描结果符合真实的鸮类飞行情况。即所采用的鸮翼的飞行姿态具有良好的气动性；三维模型的展向剖面没有相对转角；同时为满足工程需要，扫描结果中没有由于羽毛翘曲造成的奇异点，并去除翼尖等。