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扑翼微型飞行器(FMAV)扑翼时能同时产生升力和推力,具有能效比高,噪音小、隐蔽性好、便于起降等优点,在未来军民两用中能发挥重要作用。目前国内外对FMAV的研制取得不少成果,但FMAV的研究涉及多学科综合技术,亟待解决的因素主要有低雷诺数非定常流对扑翼的影响、关键部件的微型化、新型材料和结构优化、柔性翼技术、适于FMAV的实验研究方法等。FMAV未来的发展趋势有:超微型化、能穿越城市楼群间和入室执行任务、群蜂式组网作战、新型智能化仿生技术等。 昆虫翼结构轻巧而坚韧,利用复合材料模型来仿真计算更为合适。阐述了复合材料层合板的经典理论及其在有限元软件ANSYS中的应用。 利用有限元法对蜻蜓翼二维模型、考虑褶皱和翅脉三明治结构的三维模型的自然频率及振型进行了分析。模态分析结果表明褶皱结构可以显著提高蜻蜓翼的自然频率,翅脉的三明治结构会略微降低蜻蜓翼的抗弯、抗扭性能,考虑褶皱和三明治结构的蜻蜓翼一阶自然频率远大于蜻蜓的振翅频率,从而保证蜻蜓飞行不会发生共振现象。进一步分析了蜻蜓翼褶皱简化模型前三阶自然频率随起皱高度以及翅脉中蛋白质比例的变化曲线图,得出了最佳起皱高度为0.5毫米,最佳蛋白质比例位于1/2至3/4之间。 对碳纤维复合材料设置一组铺层角度,探究了扑翼在气动力和惯性力作用下的结构力学性能表现。在单层板的四个铺设角度(0,90,45和-45)中,-45°铺层角度可得到相对最小的等效应力,具有单层板的最优力学性能。在层合板的铺层角度组合(-45/0、-45/45、-45/90、0/45、0/90、45/90)中,45/90铺层组合可得到最小的等效应力和最小的结构变形,整体及各分层的最大正应力和剪应力区域产生于前缘梁根部,集中应力分布合理,具有较好的力学性能。这是因为45/90复合铺层的主应力方向在-22.5o,也与自然界生物翼的规律一致。 本文所做的研究对扑翼飞行器的仿生设计有一定的指导作用。