摘要

微型撲翼飛行器憑借其優(yōu)越的機動性和隱蔽性，在軍事和民用領域均具有廣闊的應用前景。然而，輕質材料的研發(fā)與優(yōu)化一直是限制其性能提升的關鍵因素。本文設計了一種單自由度微型撲翼飛行器的撲翼機構，選用T800碳纖維復合材料作為框架材料，選取聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）和無紡布風箏布三種典型翼膜材料進行對比分析，提出了三種不同剛度的撲翼構型。這些撲翼均采用碳纖維復合材料框架，翼膜材料通過涂層與框架粘接。受仿生學啟發(fā)，設計了模仿昆蟲翅脈結構的撲翼，通過改變翼膜材料類型和碳纖維復合材料在機翼上的分布，可實現(xiàn)撲翼剛度的調控，進而影響撲翼飛行器的力學性能。采用有限元分析方法對撲翼結構進行模態(tài)分析，利用3D打印技術制作實驗原型機。為評估不同翼膜材料對升力性能的影響，搭建了高精度測力實驗平臺，進行系統(tǒng)測試并分析不同撲翼頻率下的升力特性。通過計算建模與實驗驗證表明，在相同撲翼頻率下，T800碳纖維復合材料框架可顯著提高撲翼的剛度和耐久性；此外，翼膜材料的選擇對升力性能影響顯著，其中PET翼膜在高頻條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和升力性能。本研究為微型撲翼飛行器翼膜材料的優(yōu)化選擇提供了關鍵實驗依據，驗證了T800碳纖維復合材料在微型撲翼飛行器中的應用潛力，為先進復合材料在高性能微型撲翼飛行器中的應用開辟了新路徑。

1引言

撲翼飛行器的設計靈感源于對自然界鳥類和昆蟲飛行機制的仿生研究。與傳統(tǒng)固定翼和旋翼飛行器相比，撲翼飛行器能夠精確復刻生物翅膀的周期性撲動和三維扭轉運動，在低雷諾數(shù)流體環(huán)境中實現(xiàn)高效的氣動性能。仿生結構設計使其對復雜環(huán)境具有出色的適應性，能夠在狹小空間穩(wěn)定飛行，并具備高機動性、低噪聲等優(yōu)勢。這些特性使得撲翼飛行器在微型無人機領域具有重要的應用價值。

輕量化技術作為提升飛行器綜合性能、優(yōu)化能源利用效率和增加有效承載能力的關鍵手段，一直是航空航天領域的研究核心。因此，重量是衡量飛行器設計先進性的重要指標之一。在滿足飛行任務的前提下，減輕飛行器重量是設計者的永恒追求。將輕量化設計應用于撲翼飛行器，意味著更輕的機身、更低的能耗、更高的靈活性和便捷性，從而擁有更廣闊的市場前景。因此，希望在滿足一定強度、剛度和壽命要求的前提下，設計出結構輕量化的撲翼飛行器。輕量化主要有兩種途徑：一是結構優(yōu)化，二是采用性能更優(yōu)異的材料，尤其是先進復合材料。

結構是航空航天裝備的骨架，長期以來一直是系統(tǒng)輕量化的主要對象。材料結構輕量化需要充分合理地應用高性能輕質材料（如輕質合金、復合材料、泡沫/泡沫芯/顆粒點陣材料等）、新型結構優(yōu)化設計方法（拓撲優(yōu)化、整體優(yōu)化等）和新工藝技術（增材制造、復合制造等），通過材料在結構空間的合理布局和參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)多種承載性能的優(yōu)化和輕量化。

隨著仿生飛行器技術的快速發(fā)展，撲翼飛行器因其高效的氣動特性和仿生機動性，已成為研究熱點。傳統(tǒng)金屬材料在大型飛行器中應用較為普遍，但在撲翼飛行器領域，其在實現(xiàn)高升力、低能耗和長壽命方面面臨重量大、疲勞性能不足等挑戰(zhàn)。復合材料憑借其輕量化、高比強度、優(yōu)異的抗疲勞性和可設計性，為撲翼飛行器結構設計和性能提升提供了新思路，推動了微型撲翼飛行器研究的重大進展。復合材料在現(xiàn)代撲翼飛行器中的應用主要體現(xiàn)在減重、氣動優(yōu)化和功能集成方面。在減重方面，碳纖維增強復合材料具有極高的強度和較低的密度，應用廣泛；在氣動優(yōu)化方面，樹脂基復合材料通過整體成型工藝，具有高精度特性，在微型撲翼飛行器中具有廣闊的應用前景。國際上關于復合材料在撲翼飛行器中的研究已形成較為規(guī)范的集成模式，主要集中在美國、日本和歐洲的研究機構。美國國防高級研究計劃局（DARPA）于1992年提出微型飛行器概念，推動了復合材料在微型撲翼飛行器中的應用。哈佛大學的Robobees系列采用智能復合材料微結構（SCM）技術，將壓電材料嵌入復合材料機翼結構，實現(xiàn)了翼展3厘米、重量80毫克的超微型設計。最新一代RobobeeX-Wing通過四翼結構優(yōu)化和復合材料輕量化設計，重量為259毫克，推力效率接近同體積昆蟲。代爾夫特理工大學的DeflyNimble撲翼機器人采用透明聚酯薄膜復合機翼結構，實現(xiàn)了類似果蠅的敏捷飛行動作，包括時速25公里的急轉彎和后空翻，充分展現(xiàn)了復合材料在實現(xiàn)復雜運動學方面的優(yōu)勢。

2材料與方法

2.1單自由度撲動機構

為探究不同翼膜材料對仿生飛行器氣動特性的影響，本研究設計了一種單自由度撲翼機構，并基于該機構開展實驗研究。該機構通過單一驅動源實現(xiàn)撲動運動，顯著降低了機械復雜性，提高了系統(tǒng)的功重比，從而滿足仿生飛行器的輕量化設計要求。簡化的結構有效避免了多自由度系統(tǒng)固有的協(xié)調控制和運動耦合問題，便于快速搭建和調試，同時減少了加工成本、裝配誤差和潛在故障點，提高了實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復性。此外，單自由度設計有利于精確控制撲翼頻率、振幅等關鍵運動參數(shù)。

本研究采用簡化建模方法對齒輪傳動機構進行靜態(tài)仿真分析。基于圣維南原理的局部效應假設，可忽略遠離載荷作用區(qū)域的次要結構部件對齒輪接觸應力分布的影響。因此，在對單自由度撲動機構進行強度校核時，可省略連桿結構，將分析對象簡化為三個嚙合齒輪組成的傳動系統(tǒng)。這種建模簡化策略能夠有效降低模型復雜度，在保證齒面接觸應力、齒根彎曲應力等關鍵力學參數(shù)計算精度的前提下，實現(xiàn)計算資源向齒輪嚙合區(qū)域網格細化的合理分配。

為評估尼龍材料的使用是否滿足齒輪強度要求，基于設計的單自由度撲翼機構建立了有限元分析模型。本研究采用Abaqus/Standard（2020）商業(yè)有限元分析軟件構建撲翼機構齒輪嚙合部分的數(shù)值模型，分析過程中考慮了幾何非線性效應（基于有限變形理論）。模型參數(shù)設置如下：與驅動電機連接的主動齒輪模數(shù)為0.3，齒數(shù)為9；兩個從動齒輪模數(shù)均為0.3，齒數(shù)均為40。采用C3D8R單元類型對模型進行網格劃分，通過應力分析對機構進行強度校核。仿真分析結果顯示，撲動機構的最大應力值為166.1Pa，位置位于主動齒輪與電機的連接區(qū)域，該應力值顯著低于尼龍材料的屈服強度極限，由此可確定所選尼龍材料在強度性能方面滿足設計要求，具有可靠的力學承載能力。