仿生扑翼微型飞行器(Flapping Wing Micro Aerial Vehicles,FWMAVs)是一类模仿鸟类和昆虫利用翅翼往复运动产生力和力矩从而完成前飞、悬停、转弯和倒飞等动作的微型飞行器,因其尺寸小、能够快速起飞、具有高度机动性和灵活性以及独特的仿生外形,使得其在军事及民用方面具有广泛的应用前景,因而近几十年也成为了航空科学领域的研究热点。翅翼是FWMAVs最重要的组成部件之一,它直接影响着飞行器的运动特性,包括升力、推力及力矩的产生。目前扑翼式的微型飞行器的续航时间都很短,悬停飞行作为必备的一项飞行能力,相较前飞等常规飞行方式,需要消耗更多的能量。基于此,本文以一款仿蜂鸟扑翼微型飞行器为研究对象,对悬飞下的翅翼进行优化设计研究,主要内容如下:(1)类似于昆虫,FWMAVs的低速和小尺寸使之飞行处于低雷诺数范围,采用常规气动理论无法解释其独特的扑翼飞行机理。首先简要介绍了运动的翅翼产生升力时需满足的库塔条件,引出升力与环量之间的关系;然后从定性的角度解释了低雷诺数下的运动翅翼产生高升力的非定常气动机理;进而将翅翼的空间三维运动进行坐标系定义,构建预测气动力及力矩有足够精度的准定常空气动力学模型;最后考虑翅翼能量转化的两种极限情况,建立其能耗模型。(2)翅翼的形态学参数和运动学参数对运动特性的影响不同,需对其进行预处理。首先对翅翼的前后拍打、上下扑动和被动俯仰运动进行数学描述;进而利用实验数据和准定常空气动力学模型,基于最小二乘法思想建立关于翅翼转动刚度的数学模型,并验证了该值求解的有效性;最后对翅翼的参数实施试验设计,筛选出对升力和能耗具有显著影响的因子。(3)俯仰轴的位置显著的影响着被动俯仰运动特性,进而对翅翼的运动特性产生作用,而大多数的FWMAVs都采用翼前缘为俯仰轴,同时为了简化驱动机构的设计,相当多的研究都不考虑翅翼上下扑动运动的影响。本文从四个方面对悬飞下的翅翼进行优化设计研究:首先对翅翼的形状参数进行了优化设计;然后基于试验设计的筛选结果对翅翼的形态学和运动学参数进行了优化设计;进而考察了梯形翼和昆虫型翼的俯仰轴位置对升力及能耗的影响;最后考虑了翅翼的上下扑动运动,探讨了其对翅翼运动特性的影响。优化设计后参数的敏感性分析证明了优化结果的有效性。本文通过分析翅翼的形态学和运动学参数对升力和能耗的影响,从不同角度对翅翼进行优化设计,以期获取一套提高FWMAVs续航时间的翅翼设计流程,为仿生FWMAVs的应用提供可行的理论方法。