基于仿生学的扑翼机设计与仿真设计

毕业论文论文题目：仿生类蜻蜓飞行器研究专业：机械制造及自动化姓名：指导教师：年月日目录一、绪论 (4)1. 微型飞行器的研究概况 (4)1.1. 微型飞行器的由来 (4)1.2.微型飞行器的基本特征和应用前景 (5)1.3. 微型飞行器技术研究现状 (6)2. 微型飞行器中的关键技术 (8)2.1、机体结构与机载设备的微型化 (8)2.2、新型高升阻比升力机制 (8)2.3、微型高效动力推进装置 (9)2.4、微功率下的飞行控制和数据通信系统 (9)二、仿生蜻蜓飞行器的设计 (10)1 蜻蜒拍动机构模型简化及运动函数 (10)2.扑翼结构的选择 (12)3.仿生蜻蜓飞行器的建模 (12)三、仿生蜻蜓的设计计算 (14)1.结构的选用与电机的选用 (14)1.1、节能特性： (14)1.2、控制特性： (14)1.3、拖动特性： (15)2.气动计算 (15)3.腿部机构与运动仿真 (19)3.1.机构与运动仿真 (19)3.2.步态设计 (20)3.3.行走重心计算 (21)4.仿真运动及有限元分析 (22)4.1.仿生蜻蜓飞行意义概述 (22)4.2.有限元分析的原理 (24)4.3. 仿生蜻蜓扑翼飞行器扑翼几何物理模型的建立 (25)4.4.单元特性的定义 (27)4.5. 有限元网格划分 (28)4.6. 翅膀结构线性静力学分析 (29)4.7.仿生蜻蜓飞行器扑翼的结构非线性静力学分析 (32)4.8.材料的选择 (34)四、结论 (36)五、参考文献 (38)仿生蜻蜓飞行器研究一、绪论自1903年莱特兄弟成功地进行了人类历史上的首次动力载人飞行以来，航空器的大型化和高速化一直是航空领域的一个发展趋势。

从DC-3到Boeing 747,到Concorde (协和号)，用尽可能短的时间来运送尽可能多的货物，始终是航空工程师们努力追求的目标之一。

但是，进入二十世纪九十年代，随着微电子和MEMS等技术的飞速发展，飞行器的设计又开始出现一种向小型化，微型化发展的新趋势。

飞机的仿生原理飞机的仿生原理是指根据生物体的结构、功能和运动特点来设计飞机的原理。

在自然界中，有许多生物具有出色的飞行能力，如鸟类、昆虫等，它们的独特结构和功能给人们带来了很多启发，从而促进了飞行器的设计和改进。

飞机的仿生原理主要包括以下几个方面：首先，鸟类的飞行原理对飞机的设计有很大的影响。

鸟类的翅膀具有轻巧、坚韧和柔软的特点，拥有很高的升力和机动性，而且可以根据飞行的需要来调节翼展和翼面积。

这些特点对于飞机的设计具有借鉴意义，例如，人们可以通过仿生设计来改进飞机的机翼结构和形状，增强其升力和机动性，使飞机的性能得到提升。

其次，昆虫的飞行原理也为飞机的设计提供了有益的启发。

昆虫的翅膀通常具有高度的柔韧性和韧性，而且它们可以快速、灵活地扑打翅膀来产生升力和推进力。

这些特点对于飞机的设计也有一定的借鉴意义，例如，人们可以通过仿生设计来改进飞机的动力系统和机翼结构，提高其飞行效率和稳定性，使飞机的操纵性和安全性得到提升。

另外，鱼类的游泳原理也对飞机的设计产生了一定的影响。

鱼类的身体结构通常具有流线型和鱼鳍，可以减小水的阻力和提高游动效率。

这些特点启发人们改进了飞机的外形和结构，通过仿生设计来优化飞机的气动外形和动力系统，减小空气阻力和提高飞机的速度和燃油效率。

此外，其他动物的运动原理也为飞机的设计提供了一些启发。

例如，蝙蝠可以通过独特的翅膀结构和飞行姿势来实现滑翔和机动飞行，这些特点对于飞机的设计也具有一定的借鉴意义。

通过仿生设计，人们可以改进飞机的机翼结构和操纵系统，增强其滑翔性能和机动性，使飞机得到更加灵活和稳定的飞行能力。

总之，飞机的仿生原理是基于生物体的结构、功能和运动特点来设计飞机的原理，它包括鸟类的飞行原理、昆虫的飞行原理、鱼类的游泳原理以及其他动物的运动原理。

通过仿生设计，人们可以改进飞机的结构和功能，提高其飞行性能和效率，从而推动飞机技术的发展和进步。

飞机的仿生原理不仅可以改善飞机的性能和安全性，也可以促进飞机技术与生物学、生态学等学科的交叉和融合，推动科学技术的创新和发展。

仿生学在飞行器设计上的应用及意义《仿生学在飞行器设计上的应用及意义》我和好友小李都是航空迷，每次航空展我们都不会错过。

记得有一次在航空展上，看着那一架架造型奇特、功能强大的飞行器在天空中呼啸而过，我们俩的眼睛里满是兴奋和惊叹。

“你看那架飞机，飞得又快又稳，真不知道是怎么设计出来的。

”小李一边仰着头，眼睛紧紧盯着天空中的飞机，一边对我说道。

我笑了笑说：“其实啊，很多飞行器的设计都从大自然中得到了灵感呢，这就是仿生学的神奇之处。

”“仿生学？这是什么玩意儿？”小李挠了挠头，疑惑地看着我。

我清了清嗓子，开始解释起来：“你看鸟儿在天空中自由自在地飞翔，它们的翅膀结构就很有讲究。

它们的翅膀形状和羽毛的排列，不仅能让它们轻松地飞起来，还能在不同的气流环境下保持稳定。

所以啊，飞行器设计师们就借鉴了鸟儿翅膀的形状，设计出了类似的机翼。

这就像是给飞行器装上了一双鸟儿的翅膀，让它也能在天空中畅快地飞行。

”“哦，原来是这样啊。

那还有其他的吗？”小李的眼睛里闪烁着好奇的光芒。

“当然有啦。

比如说蝙蝠，蝙蝠在黑暗中能精准地飞行，靠的就是它独特的回声定位系统。

这就启发了科学家们，他们把这种原理应用到了飞行器的导航和探测系统中。

就好像飞行器也有了一双蝙蝠的‘眼睛’，可以在复杂的环境中探测到周围的情况，避免碰撞等危险呢。

”“哇，这可太厉害了。

那仿生学在飞行器设计上还有别的意义吗？”小李急切地问道。

“那意义可大了去了。

你想想，如果没有仿生学，飞行器的设计可能就只能靠不断地试验和摸索，这得花费多少时间和精力啊。

而仿生学就像是给设计师们开了一个外挂，让他们能够从大自然这个巨大的宝库中获取灵感。

而且，从仿生学中得到的设计往往更符合自然规律，在性能上可能会更加优越。

比如说，仿照蜻蜓翅膀上的翅痣结构，在飞行器的机翼上也设置类似的结构，可以有效地防止机翼在高速飞行时发生颤振，就像给机翼打了一针‘镇定剂’一样。

”“哈哈，你这个比喻还挺有趣的。

”小李笑着说。

仿生学对航空器设计优化的启示效果比较分析现代航空器设计的关键目标是提高飞机的性能、安全性和经济性。

仿生学作为一种借鉴自然界生物体的结构和功能的学科，已经成为航空器设计优化的重要方法之一。

本文旨在对仿生学在航空器设计中的启示效果进行比较分析。

首先，仿生学在航空器设计中的启示效果之一是提高飞行性能。

生物的结构和功能经过数亿年的演化，已经达到了高度的优化状态。

通过借鉴鸟类的翅膀结构，航空器设计师可以提高飞机的升力和减小阻力。

例如，燕尾式的翼尖设计可以减小叶片尾部的湍流，并减小阻力。

此外，借鉴海豚的皮肤纹路设计，可以减小飞机表面的阻力，提高速度和燃油效率。

通过仿生学的启示，航空器设计可以更好地适应空气动力学的要求，使飞机的性能得到显著提升。

其次，仿生学在航空器设计中的启示效果之二是提高结构强度和安全性。

生物体的结构经过自然选择，已经具备了很高的强度和适应性。

仿生学将这些优秀的结构特性应用于航空器设计中，可以提高飞机的结构强度和耐久性。

例如，借鉴昆虫的外骨骼结构，可以提高飞机的抗压能力和抗撞击能力。

此外，仿生学还可以通过借鉴动物的感应器官，如蝙蝠的超声波定位系统，提高飞机的安全性能。

这些仿生学的启示可以使航空器设计更加安全可靠。

第三，仿生学在航空器设计中的启示效果之三是提高经济效益。

航空工业一直在追求更大载荷、更远航程和更少燃油消耗的目标。

仿生学可以为航空器设计师提供许多经济效益的启示。

例如，通过借鉴蜜蜂蜂群的飞行策略，可以优化航空器的航线规划，减少燃油消耗。

此外，仿生学还可以通过借鉴植物的结构，如莲花叶片的自洁机制，减少飞机表面的附着物，降低维护成本。

这些仿生学的启示可以使航空器设计更加经济高效。

最后，需要注意的是，仿生学在航空器设计中的应用存在一定的局限性。

目前，许多仿生学的启示仍然处于实验室研究阶段，尚未实际应用于商业航空器中。

此外，仿生学的启示可能会增加航空器设计的复杂性和成本。

因此，在航空器设计中应用仿生学需要综合考虑成本、效果以及可行性等多个因素。

利用生物仿生学原理设计的无人机方案无人机作为一种无需人操控的飞行器，已经广泛应用于军事、医疗、环境监测等领域。

然而，随着技术的不断发展，我们需要创新的设计来提高无人机的性能和适应性。

生物仿生学正是一种寻找自然界中优秀设计的方法，通过研究生物体的结构和功能，来设计并制造出具备类似功能的工程器件。

基于生物仿生学原理，我提出一种利用生物仿生学原理设计的无人机方案，以改善其飞行性能和应用范围。

1. 方案介绍本方案的核心思想是借鉴鸟类和昆虫的飞行原理，通过结合鸟类的羽翼结构和昆虫的翅膀摆动方式，设计一种具备高机动性和稳定性的无人机。

通过仿生设计，我们旨在提升无人机的悬停能力、机动性以及耐风性，同时减小噪音和能源消耗。

2. 结构设计为了实现鸟类的翱翔和昆虫的俯冲飞行，我们采用了类似鸟类翅膀的可变弯曲结构，并配备了高速摆动翅膀。

翅膀结构由轻质复合材料构成，可以根据飞行状态和需求进行快速调整。

同时，机身采用轻量化的材料，以提高悬停能力和机动性。

3. 飞行控制系统为了实现精准的飞行控制，我们使用了先进的姿态感知和控制系统。

该系统利用多传感器融合技术，结合惯性测量单元(IMU)、GPS、摄像头等多种传感器，实时感知无人机的姿态和环境信息，并通过自主控制算法进行飞行调整。

这样能够使无人机具备更好的悬停能力和稳定性。

4. 能源系统为了延长无人机的续航时间，我们采用了高效的能源系统。

除了传统的电池供电系统外，我们还引入了太阳能充电系统，利用太阳能电池板吸收太阳能，并转化为电能供给无人机。

这种能源系统不仅减少了对传统电池的依赖，还降低了无人机的运行成本。

5. 应用场景利用生物仿生学原理设计的无人机方案具有广阔的应用前景。

在军事领域中，无人机可以使用该方案实现更灵活的侦查和打击任务。

在农业领域中，无人机可以利用该方案实现精准作业，如植保和种植。

此外，在环境监测、救援和航拍等领域也可以得到广泛应用。

总结：利用生物仿生学原理设计的无人机方案可以大大提高无人机的性能和适应性。

仿鸟扑翼飞行器结构设计与气动性能研究摘要随着科学技术的发展和对知识的进一步探索，人们在仿生学领域和低雷诺数空气动力学方向上的理论研究逐渐成熟，同时也优化了扑翼飞行器的设计与制造。

为了提高扑翼飞行器的气动性能，本文从驱动结构和机翼的气动性能两方面进行研究，将几种扑动机构进行了对比，选择单曲柄双摇杆机构作为研究对象，进行了机械建模和运动仿真。

针对优化前后两组不同的数据进行运动仿真；同时，以翅翼作为研究对象进行仿真计算，通过压力云图、速度云图和升阻力系数等数据分析，研究了扑翼飞行器机翼的气动性能。

研究表明，当振幅为45°时，翅翼表面的升阻比为整组数据的最大值，并且在这种运动状态下，翅翼表面的相对压力较小，翅翼上下表面的压力负担较小，且具备良好的速度特性，翅翼的气动性能最佳。

关键词：扑翼飞行器；气动性能；结构设计1.引言随着科技的发展，对空气动力学的研究逐步完善，但我们不可否认的是，虽然扑翼飞行已经被鸟类或昆虫类熟练的运用到各个方面，但人们还没有将扑翼飞行成熟的体现在某一产品当中。

扑翼飞行器相比于固定翼与旋翼飞行器，能够快速起飞，加速，悬停，具有极高的机动性与灵活性；可以应用在国防领域和民用领域，完成许多其他飞行器和人类无法完成的任务。

与此同时，仿鸟扑翼飞行器需要足够的动力系统，以及轻巧但具备一定强度的结构骨架。

因此，研究仿鸟扑翼飞行器结构设计与气动性能有着重要意义。

我国对于扑翼飞行器的研究起步于上世纪90年代。

张志涛等、曹雅忠等、程登发等、吴孔明和郭予元、彩万志等分别开展了生物飞行动力学、生理学、功能形态学等方面的研究[[1]]。

南京航空航天大学曾锐，昂海松等对鸟类扑翼飞行机理进行了深入研究，提出一种新的变速、折叠模型，并通过数值计算，认为采用这种模型，升力系数明显增加[[2]]。

北京航空航天大学的孙茂等人用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，在此基础上探索了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局新概念、新控制方式、最大速度、允许重量以及需要功率等问题[[3]][[4][[5]][[6]]。

自制扑翼机的原理
自制扑翼机的原理可以分为几个主要部分：翅膀结构、动力系统和控制系统。

1. 翅膀结构：扑翼机的翅膀一般采用类似于鸟类翅膀的结构，可以通过拍动实现推进和升力。

翅膀一般由轻质材料制成，如碳纤维和玻璃纤维等，以减少重量。

翅膀的形态设计要考虑到空气动力学的原理，以最大限度地提供升力和减少阻力。

2. 动力系统：扑翼机的动力系统可以分为两种类型：人力驱动和机械驱动。

人力驱动的扑翼机通常通过鸟类类似的拍翅动作来提供动力，需要人员持续施加力量来推动翅膀。

机械驱动的扑翼机则采用发动机、电动机或压缩空气等能源来提供动力，通过机械结构将动力转化为翅膀的拍动。

3. 控制系统：扑翼机的控制系统用于调节翅膀的拍动频率、角度和幅度等参数，以实现飞行姿态的调整。

控制系统可以采用传统的机械控制方式，如杆杆连接或绳索连接，也可以采用电子控制系统，通过电动机或舵机控制翅膀的运动。

控制系统一般由飞行员或自动控制系统操控。

总体来说，扑翼机通过模拟鸟类的翅膀拍动运动和施加相应的动力来产生升力，从而实现飞行。

不同的自制扑翼机可能采用不同的设计和材料，但原理基本相似。

象鸟一样飞行——制作扑翼橡筋动力模型飞机【活动目标】过程与方法目标：通过学生的自主组装、合作操作等实践过程，使学生进一步了解橡筋飞机的构成，掌握橡筋飞机的飞行原理及制作。

知识与能力目标：了解橡筋飞机的构成，掌握橡筋飞机的飞行原理及制作，掌握调整飞机飞行状态的方法。

情感态度价值观目标：激发学生对航空航天的兴趣，在合作探究中提高学生的实践操作能力，培养学生发现问题、解决问题的能力。

【方案设计】1.活动背景：航模运动是以操纵放飞自制或配制的模型航空器进行户外活动，不仅能学到很多知识，更能培养动脑动手的能力，是一项培养学生综合素质极佳项目。

橡筋动力模型飞机是靠储存在橡筋内的能量带动螺旋桨旋转，产生拉力而上升的模型飞机，橡筋动力用完后，模型滑翔下降平稳落地。

扑翼橡筋动力模型飞机材料简便，制作方便，具有知识性和趣味性和竞争性。

2.参加对象：初一、二年级学生3.时间安排：约3课时4.活动准备：⑴材料准备：400х80х2毫米吹塑纸1片，160х70毫米吹塑纸1片，55х70毫米吹塑纸1片，80х6х4毫米桐木1块，100х2х4毫米桐木条1根，1х2х220毫米桐木条1根，4х7х400毫米桐木杆1根，160毫米塑料螺旋桨1个，尾钩等零配件少许。

⑵工具准备：美工刀、直尺、双面胶面、即时贴、502胶水⑶场地准备：教室一间操场（户外放飞）⑷组织准备：将班级学生分成若干个组（四人小组），选定组长及安全员。

组长负责管好本组纪律，清点人数，分发扑翼橡筋动力模型飞机套装。

安全员负责监督和管理本组成员的安全及卫生情况。

【活动过程】一、安全教育在实践活动中要注意工具的正确使用，要注意活动场地的安全，不要擅自离开活动场所。

二、情景导入飞行是人类的梦想，昆虫、鸟禽、风吹起树叶和上升的炊烟，都曾引起过人类飞行的遐想。

嫦娥飞天的美妙故事，这反映了人们对飞行的追求和向往。

播放有关介绍飞机发明历史的视频，并请学生谈谈观看的感受。

三、组织活动（一）制作组装扑翼橡筋动力模型飞机模型1.了解橡皮筋动力飞机模型的结构橡筋动力模型飞机是靠储存在橡筋内的能量带动螺旋桨旋转，产生拉力而上升的模型飞机，橡筋动力用完后，模型滑翔下降。

机翼上的仿生学陈晓东在当今交通飞速发展的时代，飞机的使用让我们真正体会到“天涯若比邻”感觉。

然而金属制作的飞机凭什么能升空翱翔在蓝天？原来与机翼下平上凸的巧妙结构有关。

这种结构来源于仿生学。

人类在很早就观察到鸟类能在天上自由的飞翔靠的是翅膀，于是人类也有了飞天的梦想。

在经过无数次模仿鸟类的飞行失败后，人们通过不懈的努力，终于找到了鸟类能够飞行的原因：鸟的翅膀上弯下平，飞行时，上面的气流比下面的快，由此形成下面的压力比上面的大，于是翅膀就产生了垂直向上的升力，飞的越快，升力越大。

1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。

利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚信人能飞行。

1891年，他开始研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自己还进行试飞；此后五年，他进行了2000多次滑翔飞行，并同鸟类进行了对比研究，提供了很有价值的资料。

原来飞机前进时机翼与周围的空气发生相对运动，相当于有气流迎面流过机翼，气流被机翼分成上下两部分，由于机翼横截面的形状上下不对称，呈下平上凸的形状，在相同的时间内机翼上方的气流通过的路程较长，因而流速较大，对机翼向下的压强较小；机翼下方的气流通过的路程较短，因而流速较小，对机翼向上的压强较大；于是在机翼上下两表面存在向上的压强差，这就产生了向上的升力。

飞机设计上还有很多仿生学的应用，如：莱特兄弟在飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐弯一直困绕着他们。

为此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。

例如，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落，靠转动这只下落的翅膀保持平衡，他们给滑翔机装上翼梢副翼后实验，由地面上的人用绳来控制它的转动或弯翘。

后来他们用操纵飞机后部一个可转动的方向舵来控制飞机的方向，实现了使飞机向左或向右转弯。

通过研究蜻蜓翅膀的结构后在飞机机翼下方加上了配重解决了飞机飞行时稳定问题。

后来，随着飞机的不断发展，它们逐渐失去了原来那些笨重而难看的体形，它们变的更简单，更加实用。