[发明专利]一种基于刚度相似性的扑翼结构优化方法

说明书

本发明公开的一种基于刚度相似性的扑翼结构优化方法，属于飞行器结构优化领域。本发明采用变密度法对有限元模型进行结构拓扑优化，实现扑翼结构的最小柔顺度最优，进而提高扑翼的结构刚度；此外，基于昆虫翅翼刚度实验建立扑翼展向抗弯刚度随展长的变化关系，采用主成分分析法建立刚度相似性准则，求解出扑翼模型展向抗弯刚度随展长变化的线性一次函数，确定扑翼不同展长处的展向抗弯刚度；以结构质量最小为优化目标，以各个脉络线宽函数的参数为变量，以不同展长处的展向抗弯刚度和满足昆虫翅翼结构强度、加工尺寸和工程精度要求的线宽上下边界为约束条件，对扑翼进行优化设计，从而确定扑翼翅脉式结构布局，改善扑翼的升力气动性能。

技术领域

本发明涉及一种微型扑翼和扑旋翼飞行器的扑翼结构优化方法，属于飞行器结构优化领域。

背景技术

20世纪90年代以来，仿生微型扑翼飞行器受到越来越多学者的关注。相对于固定翼和旋翼微型飞行器，扑翼微型飞行器气动效率高、机动性好，可以实现垂直起降和悬停功能，但具有机械结构复杂的缺点。为了突破扑翼飞行器的技术瓶颈，有学者提出了扑旋翼飞行器概念。扑旋翼结合了扑翼和旋翼两者的运动学特点，通过安装中心对称的一对翼，扑翼在上下拍动的同时会在两个翼面上产生一对力偶，使得扑翼产生自旋运动，不需要外加扭矩进行平衡，故不需要尾桨等平衡装置，在降低能耗的同时简化飞行器的结构。

目前，微型扑翼和扑旋翼飞行器的研究主要集中在实现仿生拍动的驱动机构设计方面和对飞行器气动特性进行的数值模拟和实验验证方面。其中，扑翼基本采用了简单的梁膜结构，不能满足微型飞行器对翼结构的质量、提高升力及飞行效率的要求，而仿生扑翼设计能够有效提高扑翼气动效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于刚度相似性的扑翼结构优化方法，针对微型扑翼和扑旋翼飞行器用扑翼结构，结合自然界中飞行生物的翅翼结构特点，采用变密度法对有限元模型进行结构拓扑优化，实现扑翼结构的最小柔顺度最优，进而以提高扑翼的结构刚度；此外，基于昆虫翅翼刚度实验建立扑翼展向抗弯刚度随展长的变化关系，采用主成分分析法，基于自然界中不同尺度下昆虫翅翼抗弯刚度与昆虫几何形态参数之间的关系建立刚度相似性准则，根据所述刚度相似性准则求解出扑翼模型展向抗弯刚度随展长变化的线性一次函数，根据线性一次函数确定扑翼不同展长处的展向抗弯刚度，根据扑翼材料属性和不同展长处的展向抗弯刚度确定不同展长处的截面惯性矩，进而确定不同展长处的截面尺寸，并以结构质量最小为优化目标，以各个脉络线宽函数的参数为设计变量，以不同展长处的展向抗弯刚度和满足昆虫翅翼结构强度、加工尺寸和工程精度要求的线宽上下边界为约束条件，对扑翼进行优化设计，从而确定适用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的仿生扑翼翅脉式结构布局，以改善扑翼的升力气动性能。

本发明是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于刚度相似性的扑翼结构优化方法，包括如下步骤：

步骤1：建立仿昆虫翅翼平板结构有限元模型，通过变密度法对有限元模型进行结构拓扑优化，实现扑翼结构的最小柔顺度最优；基于最小柔顺度最优的拓扑优化结果和昆虫翅翼生物样本，建立仿昆虫简化翅翼模型。

步骤1.1：根据自然界中昆虫翅翼的外形和尺寸，建立仿昆虫翅翼平板结构优化设计模型，定义模型的前缘脉位置处为非设计域，其它位置为设计域。建立仿昆虫翅翼平面结构有限元模型，采用壳单元划分网格，定义单元材料属性，在翼面上加载均布载荷，在翅翼根部设置六自由度约束。

步骤1.2：采用变密度法对有限元模型进行结构拓扑优化，选用各向同性材料惩罚模型(Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP)作为插值模型。

SIMP模型插值公式为：

式中，E_i为插值后的弹性模量，E₀为材料真实的弹性模量，x_i为第i个单元的伪密度，p为惩罚因子。