3撲翼原型機(jī)制備

3.1撲翼外形設(shè)計(jì)

基于上述有限元分析結(jié)果，對(duì)翼膜和翅脈進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。針對(duì)機(jī)翼的輕量化設(shè)計(jì)，首先根據(jù)氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)翼型，剛性前緣由碳纖維桿組成，柔性翼面由聚酯薄膜構(gòu)成。機(jī)翼后緣固定在機(jī)身上，確保翼面柔性材料在機(jī)翼?yè)鋭?dòng)過(guò)程中能夠發(fā)生顯著變形，在一定程度上實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使原型機(jī)獲得更優(yōu)的氣動(dòng)性能?；?/span>“翼膜+翅脈”的機(jī)翼設(shè)計(jì)方案，采用碳纖維桿將整個(gè)翼膜包裹其中以增強(qiáng)剛性，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)與撲動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，通過(guò)該方案可提高機(jī)翼剛度。

為更精確地模仿自然生物翅膀的形態(tài)和功能特征，本文提出一種基于“翼膜-翅脈”復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生翼型設(shè)計(jì)方案。在翼面材料選擇上，采用厚度為0.0125mm的聚酯薄膜作為主要承載面，超薄聚酯薄膜不僅能提供一定的強(qiáng)度，還能最大限度地降低機(jī)翼自身重量。為提升翼型機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)性能，采用直徑1mm的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在機(jī)翼前緣和翼根處對(duì)翼面進(jìn)行支撐，通過(guò)套筒式非固定連接方式保證撲動(dòng)過(guò)程中的被動(dòng)俯仰運(yùn)動(dòng)，該設(shè)計(jì)有效模擬了自然翅膀在撲動(dòng)過(guò)程中的自適應(yīng)變形特性。

本研究對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，建模過(guò)程中將機(jī)翼幾何形狀簡(jiǎn)化為橢圓形翼面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了三種不同的機(jī)翼結(jié)構(gòu)。采用T800碳纖維桿模擬翅脈結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)為：密度1.8g/cm3，彈性模量300GPa，泊松比0.3；采用PET薄膜材料模擬翼膜結(jié)構(gòu)，其材料參數(shù)為：密度1.323g/cm3，彈性模量28GPa，泊松比0.3。有限元建模過(guò)程中，選用殼單元進(jìn)行離散化處理，無(wú)需施加額外約束條件。

由分析結(jié)果可知，兩側(cè)固定約束的橢圓形機(jī)翼前六階固有頻率分別為0.11386Hz、0.26436Hz、0.40122Hz、0.48529Hz、0.69106Hz和0.77702Hz。橢圓形機(jī)翼前六階振型仿真結(jié)果顯示，振動(dòng)均發(fā)生在橢圓形機(jī)翼的后緣，由于后緣無(wú)翅脈支撐，彎曲剛度極低，該區(qū)域易引發(fā)振動(dòng)。

模仿昆蟲翅膀的翼膜-翅脈結(jié)構(gòu)，在模型中引入T800碳纖維桿作為翅脈材料以增強(qiáng)剛性。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率顯著提高，分別為1.1551Hz、1.3692Hz、1.5081Hz、1.7587Hz、2.1190Hz和2.2870Hz。模態(tài)分析表明，盡管振動(dòng)仍主要發(fā)生在機(jī)翼后緣，但振動(dòng)區(qū)域顯著減小，說(shuō)明翅脈的引入有效增強(qiáng)了局部剛度，抑制了結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)響應(yīng)。

將橢圓形機(jī)翼周圍整個(gè)區(qū)域固定后，前六階固有頻率提高至0.40086Hz、0.67604Hz、0.89124Hz、1.0339Hz、1.2965Hz和1.4711Hz，振動(dòng)集中區(qū)域轉(zhuǎn)移至機(jī)翼中部，原因是該區(qū)域未設(shè)置翅脈支撐，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較低，成為振動(dòng)主導(dǎo)模態(tài)的敏感區(qū)域。

研究表明，翅脈材料的引入可顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，進(jìn)而大幅提高固有頻率；在撲翼結(jié)構(gòu)中，低剛度區(qū)域（如無(wú)翅脈支撐的后緣或中部）由于抗彎曲能力較弱，更易形成振動(dòng)集中區(qū)域；通過(guò)優(yōu)化高剛度材料（如翅脈）的空間布局，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)模態(tài)的有效調(diào)控，從而降低振動(dòng)幅度及其影響范圍。

3.2撲翼材料選擇

柔性撲翼飛行器的機(jī)翼材料通常包括兩類：用于增強(qiáng)剛度的翼肋和輕質(zhì)翼膜。這些材料的選擇需在滿足力學(xué)和氣動(dòng)性能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化和功能協(xié)同。機(jī)翼作為活動(dòng)部件，其質(zhì)量直接影響轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件，應(yīng)減輕其重量以降低運(yùn)動(dòng)慣性，密度是首要考慮的因素。除驅(qū)動(dòng)電源、電路板、線圈等部件外，機(jī)身框架是零件數(shù)量最多且重量占比最大的部件。翼肋主要起結(jié)構(gòu)支撐作用，必須具備高比強(qiáng)度和比剛度，才能在保持剛性的同時(shí)有效減輕重量，從而降低飛行過(guò)程中機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，提高機(jī)動(dòng)性。因此，為確保整個(gè)撲翼裝置質(zhì)量盡可能小，所選框架材料的密度也應(yīng)盡可能低；為提高機(jī)翼剛度，需引入翅脈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)需具備一定的強(qiáng)度并能承受變形，選用密度較低的材料制造翅脈部件可實(shí)現(xiàn)更小的機(jī)翼質(zhì)量。

T800碳纖維復(fù)合材料具有低密度（1.6g/cm3）、極高的抗拉強(qiáng)度和剛性，能夠顯著降低結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)增強(qiáng)機(jī)翼和結(jié)構(gòu)框架的抗變形能力與耐久性，進(jìn)而提高飛行器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，T800材料具有良好的可設(shè)計(jì)性，通過(guò)調(diào)整纖維排列方式可進(jìn)一步優(yōu)化其性能。憑借優(yōu)異的力學(xué)性能和輕量化特性，T800碳纖維復(fù)合材料非常適合應(yīng)用于對(duì)性能和重量有較高要求的微型飛行器（MAVs）設(shè)計(jì)中。因此，本文選用T800碳纖維復(fù)合材料作為機(jī)翼框架材料，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和輕量化要求，綜合考慮后，選取直徑1mm的T800碳纖維作為機(jī)翼框架結(jié)構(gòu)。

在本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，翼膜與翼肋粘接，直接參與氣動(dòng)載荷的傳遞，翼膜材料必須具備良好的柔韌性和氣密性，以承受撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)的周期性大變形并保持升力輸出的穩(wěn)定性。為確保整體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜條件下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，翼膜材料的選擇應(yīng)滿足以下要求：一是低密度，以減輕翼面質(zhì)量并優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)；二是優(yōu)異的粘接性，以增強(qiáng)膜材料與框架的連接穩(wěn)定性；三是良好的柔韌性，以適應(yīng)飛行過(guò)程中的彈性變形；四是形狀保持能力，為更貼近昆蟲翅膀的形態(tài)，翼面應(yīng)盡可能接近仿生形狀，因此翼膜材料制成后不應(yīng)易變形，以保持預(yù)期的氣動(dòng)外形。這些性能要求共同構(gòu)成了柔性翼材料選擇的設(shè)計(jì)依據(jù)。

設(shè)計(jì)撲翼飛行器時(shí)，主要選取PET薄膜材料、聚酰亞胺薄膜材料和無(wú)紡布風(fēng)箏布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，旨在選擇性能優(yōu)良且重量輕的翼膜材料。PET薄膜表面能較低，具有疏水性和化學(xué)惰性，其表面弱路易斯酸堿特性意味著與其他材料（如膠粘劑、復(fù)合層）之間的界面相互作用力相對(duì)較?。痪埘啺繁∧け砻婺茌^高，有利于材料間的粘接和界面結(jié)合，當(dāng)微型撲翼與膠粘劑或復(fù)合材料復(fù)合時(shí)，聚酰亞胺薄膜表面的路易斯酸堿特性有利于形成穩(wěn)定的界面層；風(fēng)箏布薄膜作為涂層或復(fù)合材料，表面相對(duì)粗糙。這些差異對(duì)翼膜的力學(xué)性能和界面行為具有顯著影響，因此選取這三種材料進(jìn)行翼膜設(shè)計(jì)，探究不同性能材料對(duì)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

3.3撲動(dòng)機(jī)構(gòu)打印

本文設(shè)計(jì)的單自由度撲動(dòng)機(jī)構(gòu)采用DLP光固化成型技術(shù)打印，所使用的3D打印機(jī)為RayshapeP400（Raise3D，中國(guó)上海），其投影分辨率高達(dá)3840×2160像素，打印速度為每小時(shí)15毫米。選用樹(shù)脂材料進(jìn)行打印，將打印好的單自由度部件進(jìn)行組裝，組裝完成后，用膠水將預(yù)先切割好的翼膜材料粘接在撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿表面，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)原型如下所示。

4結(jié)論

為探究T800復(fù)合材料和不同翼膜材料對(duì)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)性能的影響，本文設(shè)計(jì)了一種單自由度撲動(dòng)機(jī)構(gòu)，基于T800碳纖維桿在翼膜表面的不同分布方式，開(kāi)發(fā)了三種機(jī)翼結(jié)構(gòu)，結(jié)合三種不同的翼膜材料進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

• 在翼膜特定區(qū)域引入T800碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的仿生“翼膜-翅脈”結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)了局部結(jié)構(gòu)剛度，抑制了結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而提高了撲翼飛行的穩(wěn)定性。

• 在低電壓驅(qū)動(dòng)條件下，半包裹結(jié)構(gòu)盡管剛度較低，但升力性能優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出良好的輕量化與升力平衡，具有一定的工程應(yīng)用潛力。

• 相同構(gòu)型下，采用PET膜材料的翼面升力性能顯著優(yōu)于聚酰亞胺膜和風(fēng)箏布材料。

三種翼膜材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)表明，在工程實(shí)踐中可采用人工翼膜-翅脈結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)高性能翼膜材料相結(jié)合的方案，以提升微型撲翼飛行器的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)可靠性。