[发明专利]一种分布柔度式扑翼驱动机构及其设计方法

权利要求书

1.一种分布柔度式扑翼驱动机构，其特征在于：所述分布柔度式扑翼驱动机构包括扑翼驱动机构安装架(3)及设置在所述扑翼驱动机构安装架(3)上的压电双晶片驱动器(4)和分布柔度式传动链；

所述分布柔度式传动链为左右对称结构，其包括一对竖向弹片和一个横向弹片(7)，一对所述竖向弹片分别为左侧弹片(5)和右侧弹片(6)，所述左侧弹片(5)和所述右侧弹片(6)左右相向对称设置，它们的连接结构为：首先将所述左侧弹片(5)的上端部位与所述右侧弹片(6)的上端部位分别向外侧对称预弯曲变形，将所述横向弹片(7)的左端部位与其右端部位分别向上预弯曲变形，之后再将所述横向弹片(7)的左端部位与所述左侧弹片(5)的上端部位固定粘接在一起，将所述横向弹片(7)的右端部位与所述右侧弹片(6)的上端部位固定粘接在一起，从而形成具有预应弹力的所述分布柔度式传动链；所述分布柔度式传动链具有两个扑动臂和一个扑动传动部(8)，两个所述扑动臂分别为左侧扑动臂(9)和右侧扑动臂(10)，所述左侧弹片(5)与所述横向弹片(7)的交汇处形成左侧扑动臂支撑部，所述左侧扑动臂支撑部外端的所述左侧弹片(5)与所述横向弹片(7)连接部位形成所述左侧扑动臂(9)；所述右侧弹片(6)与所述横向弹片(7)的交汇处形成右侧扑动臂支撑部，所述右侧扑动臂支撑部外端的所述右侧弹片(6)与所述横向弹片(7)连接部位形成所述右侧扑动臂(10)；所述左侧扑动臂(9)与所述右侧扑动臂(10)在所述分布柔度式传动链的预应弹力作用下由内端至外端向上倾斜，从而使所述分布柔度式传动链形成左右对称结构；所述横向弹片(7)的中间部位形成所述扑动传动部(8)；

所述压电双晶片驱动器(4)的固定端固定在所述分布柔度式传动链的后端，其自由端与所述分布柔度式传动链的扑动传动部(8)固定连接；

所述压电双晶片驱动器(4)通过其自由端驱动所述扑动传动部(8)上下震动，在所述预应弹力的作用下，所述分布柔度式传动链驱动所述左侧扑动臂(9)与所述右侧扑动臂(10)做同频同幅扑动运动。

2.根据权利要求1所述的一种分布柔度式扑翼驱动机构，其特征在于：在所述分布柔度式传动链中，所述横向弹片(7)的所述扑动传动部(8)为横向弹片大刚度段，所述横向弹片(7)位于所述扑动传动部(8)两侧的部位为横向弹片小刚度段，所述横向弹片大刚度段的刚度大于所述横向弹片小刚度段的刚度，其中，位于所述扑动传动部(8)左侧的横向弹片小刚度段为横向弹片左侧小刚度段，位于所述扑动传动部(8)右侧的横向弹片小刚度段为横向弹片右侧小刚度段；

所述左侧弹片(5)及所述右侧弹片(6)的下部为竖向弹片大刚度段，所述左侧扑动臂(9)及所述右侧扑动臂(10)上部为竖向弹片小刚度段，所述竖向弹片大刚度段的刚度大于所述竖向弹片小刚度段的刚度；其中，所述左侧弹片(5)的竖向弹片大刚度段为左侧弹片大刚度段，所述左侧弹片(5)的竖向弹片小刚度段为左侧弹片小刚度段，所述右侧弹片(6)的竖向弹片大刚度段为右侧弹片大刚度段，所述右侧弹片(6)的竖向弹片小刚度段为右侧弹片小刚度段；所述左侧弹片大刚度段的下部与所述右侧弹片大刚度段的下部分别通过传动链固定板(11)固定在所述扑翼驱动机构安装架(3)上，以在所述扑动传动部(8)震动时，使其保持竖直方向。

3.根据权利要求2所述的一种分布柔度式扑翼驱动机构，其特征在于：所述扑翼驱动机构安装架(3)采用编织碳纤维层合板材质制作，所述扑翼驱动机构安装架(3)的折弯处由编织碳纤维层合板中间层的柔性折弯薄膜连接形成折叠缝，并在所述编织碳纤维层合板的折叠缝及所述编织碳纤维层合板的对接缝处涂胶固定，从而使所述扑翼驱动机构安装架(3)形成一体化结构；所述左侧弹片(5)，所述右侧弹片(6)和所述横向弹片(7)均由三层宽度相同的聚丙烯薄板相互层叠粘接组成，其中外侧两层聚丙烯薄板的厚度相同，其刚度的大小通过中间层的聚丙烯薄板的厚度大小实现。

4.一种分布柔度式扑翼驱动机构的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a.依据集中质量法原理，将所述压电双晶片驱动器(4)简化为一个同时含有等效质量块M_act,e，等效直线阻尼C_act,e，等效直线弹簧K_act,e和等效压电驱动力F_p的等效单自由度二阶直线振动系统；通过沿竖直方向的移动副将等效质量块M_act,e与大地相连：等效直线弹簧K_act,e与等效直线阻尼C_act,e沿竖直方向相互并联，其上端均与等效质量块M_act,e固联，下端均与地固联；等效压电驱动力F_p沿竖直方向作用在等效质量块M_act,e上，在线性范围内，等效压电驱动力F_p与沿压电陶瓷片厚度方向的电场强度E_V成正比；

即：F_p＝λ_pE_V

式中：λ_p为力—电比例系数；E_V则是压电双晶片驱动电压U和驱动频率f_elec的函数；将等效质量块M_act,e沿竖直方向的位移定义为所述压电双晶片驱动器(4)的等效直线位移输出x_act；

b.所述分布柔度式传动链依据大变形柔性梁的1R与2R伪刚体模型理论简化为由多段刚性连杆与扭簧连接而成的等效“多刚体—扭簧”系统，则：

a).在所述横向弹片(7)中，所述扑动传动部(8)等效为连杆l₁₁；

在所述横向弹片左侧小刚度段中，所述左侧扑动臂支撑部对所述横向弹片(7)形成支撑，在所述扑动传动部(8)的左端与所述左侧扑动臂支撑部之间的部位等效为扭簧K₁₁，所述左侧扑动臂支撑部等效为扭簧K₁₃；所述扑动传动部(8)的左端与所述扭簧K₁₁之间等效为连杆l₁₂，所述扭簧K₁₃与所述扭簧K₁₁之间部位等效为连杆l₁₄，所述左侧扑动臂(9)部位等效为连杆l₁₆；将所述扑动传动部(8)与所述横向弹片左侧小刚度段的固定连接等效为连杆l₁₁与连杆l₁₂之间的固定副；

在所述横向弹片右侧小刚度段中，与所述扭簧K₁₁，所述扭簧K₁₃，所述连杆l₁₂，所述连杆l₁₄，所述连杆l₁₆相对应的部位分别等效为扭簧K₁₂，扭簧K₁₄，连杆l₁₃，连杆l₁₅，连杆l₁₇；将所述扑动传动部(8)与所述横向弹片右侧小刚度段的固定连接等效为连杆l₁₁与连杆l₁₃之间的固定副；

b).在所述左侧弹片(5)中；

所述左侧弹片大刚度段中，通过所述传动链固定板(11)与所述扑翼驱动机构安装架(3)固连以保持竖直方向的所述左侧弹片大刚度段部位等效为连杆l₂₁，紧邻所述连杆l₂₁的上部等效为扭簧K₂₁，位于所述扭簧K₂₁以上部位等效为连杆l₂₂；

所述左侧弹片小刚度段中，所述左侧扑动臂支撑部等效为扭簧K₂₃；在所述扭簧K₂₃与所述连杆l₂₂之间的部位等效为扭簧K₂₂，所述扭簧K₂₂以下部位等效为连杆l₂₃，所述扭簧K₂₂与所述扭簧K₂₃之间部位等效为连杆l₂₄，所述左侧扑动臂(9)部位等效为连杆l₂₅；所述左侧弹片大刚度段与所述左侧弹片小刚度段之间的固定连接等效为连杆l₂₂与连杆l₂₃之间的固定副；

在所述右侧弹片(6)中，与所述连杆l₂₁，所述扭簧K₂₁，所述连杆l₂₂，所述扭簧K₂₂，所述扭簧K₂₃，所述连杆l₂₃，所述连杆l₂₄，所述连杆l₂₅相对应的部位分别等效为连杆l₃₁，扭簧K₃₁，连杆l₃₂，扭簧K₃₂，扭簧K₃₃，连杆l₃₃，连杆l₃₄，连杆l₃₅；所述右侧弹片大刚度段与所述右侧弹片小刚度段之间的固定连接等效为连杆l₃₂与连杆l₃₃之间的固定副；

将所述左侧扑动臂(9)等效为所述连杆l₂₅与所述连杆l₁₆的相切固联；将所述右侧扑动臂(10)等效为所述连杆l₃₅与所述连杆l₁₇的相切固联；以此模拟所述分布柔度式传动链中的“人”字形连接结构；以及保持竖直方向与所述扑翼驱动机构安装架(3)固联的所述连杆l₂₁和所述连杆l₃₁，从而使所述分布柔度式传动链形成“门”字形的等效“多刚体—扭簧”系统；

c.依据分布载荷与集中载荷之间的等效转化原则，将所述扑动翼(2)在运动过程中所受沿扑动平面的气动载荷等效为作用在其压力中心的集中气动阻力F_wing；所述集中气动阻力F_wing位于所述扑动翼的扑动平面内，且与所述扑动翼的展向垂直，与所述扑动翼的运动方向相反；依据“叶素理论”通过片条积分的方式求取扑动翼(2)在不同位置和运动状态下的气动阻尼系数以及压力中心与翼根轴线之间的距离l_aero；利用刚性杆l_wing模拟所述扑动翼(2)的质量特性，其中所述刚性杆l_wing的质量m_wing与所述扑动翼(2)的真实质量相等，所述刚性杆相对于翼根轴线的转动惯量J_wing与所述扑动翼(2)相对于翼根轴线的真实转动惯量相等，从而建立扑动翼(2)的等效“质量—转动惯量—气动阻尼”系统；其中扑动翼(2)的等效集中气动阻力F_wing及其在扑动翼(2)的翼根处形成的气动阻尼力矩M_wing的表达式如下：

M_wing＝F_wing·l_aero

式中：θ_wing为扑动翼(2)的扑动角度，为扑动翼(2)的扑动角速度；气动阻尼系数是所述扑动翼的扑动角度θ_wing和扑动角速度的函数；

d.依据所述分布柔度式扑翼驱动机构中各构件的实际位置关系，对压电双晶片驱动器(4)的所述等效单自由度二阶直线振动系统，分布柔度式传动链的所述等效“多刚体—扭簧”系统，扑动翼的所述等效“质量—转动惯量—气动阻尼”系统进行模型组装，将所述压电双晶片驱动器(4)的等效单自由度二阶振动系统中的等效质量块M_act,e与所述分布柔度式传动链等效“多刚体—扭簧”系统中的所述连杆l₁₁进行固联；将一对所述扑动翼等效“质量—转动惯量—气动阻尼”系统中所述扑动翼(2)的翼根部分别与所述分布柔度式传动链等效“多刚体—扭簧”系统中的所述连杆l₁₆，所述连杆l₂₅，所述连杆l₁₇，所述连杆l₃₅进行固联，所述左侧扑动翼的根部与所述连杆l₁₆之间的夹角为θ_s，所述右侧扑动翼的根部与所述连杆l₁₇之间的夹角为θ_s，从而可搭建所述分布柔度式扑翼驱动机构的等效“质量—转动惯量—弹簧—阻尼”系统；

e.取分所述分布柔度式扑翼驱动机构的等效“质量—转动惯量—弹簧—阻尼”系统中如下三个独立运动参数定义为广义位移：所述压电双晶片驱动器(4)的等效直线位移输出x_act，所述扭簧K₁₁的转角θ₁₁，所述扭簧K₁₃的转角θ₁₃；据此定义广义位移向量q＝[x_act θ₁₁θ₁₃]^T；定义与广义位移相对应的系统广义外力向量为：F＝[F_p 0 0]^T；定义系统的左右对称性运动约束为：θ₁₁＝θ₁₂、θ₁₃＝θ₁₄；将q与F代入第二类拉格朗日方程，建立所述分布柔度式扑翼驱动机构的“压电—结构—流场”耦合整机动力学模型的三自由度二阶系统受迫振动方程组如下：

式中：M为系统广义质量矩阵，C为系统广义阻尼矩阵，K系统广义刚度矩阵；

所述分布柔度式扑翼驱动机构的“压电—结构—流场”耦合整机动力学模型的输入激励为所述压电双晶片驱动器(4)的驱动电压U，输出响应为扑动翼(2)的扑动角度θ_wing＝θ₁₁+θ₁₃-θ_s，通过数值求解二阶常微分方程组获取所述扑动翼的扑动角度θ_wing的稳态响应函数、扑动角速度的稳态响应函数、扑动周期T_flap、扑动频率f_flap与所述压电双晶片驱动器(4)的驱动电压U之间的关系；

f.所述分布柔度式扑翼驱动机构的整机综合性能优化问题的目标函数取以下三个：一对所述扑动翼(2)的平均气动升力所述分布柔度式扑翼驱动机构的整机能量转换效率η，所述分布柔度式扑翼驱动机构的整机质量m_total；

一对所述扑动翼的平均气动升力通过叶素理论获得，其表达式如下：

式中：ρ_air为空气密度，R为所述扑动翼(2)的半展长，c(r)为所述扑动翼(2)弦长在翼展方向的变换函数，为所述扑动翼(2)在一个扑动周期内的平均升力系数；

所述分布柔度式扑翼驱动机构的整机能量转换效率η通过悬停式扑翼飞行器的扑动翼气动诱导功率公式与压电双晶片的等效电路模型理论获得，其表达式如下：

式中：P_lift为所述扑动翼的诱导功率，P_elec为所述压电双晶片驱动器的电功率，U_eff为所述压电双晶片驱动器驱动电压U的有效值，Z_eff为所述压电双晶片驱动器的等效阻抗；

优化设计变量为：所述分布柔度式传动链的形状参数，其包括：所述横向弹片大刚度段的长度，厚度与宽度，所述横向弹片小刚度段的长度，厚度与宽度，所述竖向弹片大刚度段的长度，厚度与宽度，所述竖向弹片小刚度段的长度，厚度与宽度，所述压电双晶片驱动器(4)的形状参数，其包括：所述压电双晶片驱动器(4)的压电陶瓷层厚度t₁与中间层厚度t₂，延伸段厚度t₃，所述压电双晶片驱动器(4)的固定端宽度w₂与自由端宽度w₁，所述压电双晶片驱动器(4)的驱动段长度L₂与延伸段长度L₁，所述压电双晶片驱动电压U；

依据设计要求确定优化约束条件：所述分布柔度式扑翼驱动机构的高度，宽度与翼展上限以及所述压电双晶片驱动器(4)的驱动电压U的上限；

g.为一对所述扑动翼(2)的平均气动升力所述分布柔度式扑翼驱动机构能量转换效率η和所述分布柔度式扑翼驱动机构质量的倒数三个目标函数引入相应的权重系数，并对其进行线性组合，从而形成一个统一的目标函数，其表达式如下：

式中：a₁，a₂和a₃为权重系数，且a₁+a₂+a₃＝1；S为统一目标函数，优化过程中令其达到最小值；

权重系数的选取原则如下：①若期望飞行器拥有更强的载重能力和机动性能，则增大a₁；②若期望飞行器拥有更强的续航能力，则增大a₂；③若期望飞行器实现结构轻量化设计，以便于搭载更多的有效载荷，则同时增大a₁与a₃；

采用约束优化算法对所述设计变量进行优化求解，在可行域内获取所述分布柔度式扑翼驱动机构的最佳设计点。