一种基于蜻蜓翅膀的仿生前缘结构设计及制作方法

本发明涉及仿生、微纳制造、航空航天及微型飞行器设计领域，具体为一种具有蜻蜓翅膀的仿生前缘高效能空气动力学结构设计及其制作方法。

背景技术：

1、空气动力学性能的优化是航空航天和微型飞行器设计中的关键因素，尤其是在提高机动性和稳定性方面。自然界中，昆虫如蜻蜓因其卓越的飞行能力而成为仿生学研究的热点，特别是它们翅膀的前缘结构，为非定常空气动力学提供了独特的解决方案。蜻蜓翅膀的前缘结构对于其飞行性能的提升起着至关重要的作用，尤其是在增升力和改善气流稳定性方面。

2、尽管仿生学在解决工程问题方面取得了显著进展，但关于蜻蜓翅膀前缘结构对其飞行性能影响的研究仍处于初步阶段。蜻蜓的飞行稳定性和高机动性主要归功于其翅膀前缘的特殊微结构，这些结构通过改变气流的流向和速度，有效地提高了升力和减少了阻力。

3、本研究包括蜻蜓前缘的仿生设计及其制作方法。通过观测分析蜻蜓翅膀的自然结构，对前缘微观结构进行了优化建模并设计了一种前缘结构1：1的制作方法，蜻蜓翅膀前缘的结构不仅促进了前缘涡的形成和长时间附着，从而增强了升力，还通过其特殊的前部棱形和后部扇形结构，在微观层面上对气流进行了有效的筛选和加速，显著提高了升阻比。这些发现不仅加深了我们对蜻蜓翅膀结构的理解，也为微型飞行器的设计提供了新的灵感和方向，尤其是在滑翔和低速飞行性能的优化方面。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于蜻蜓翅膀的仿生前缘结构设计及制作方法，设计的仿生前缘结构对蜻蜓前缘进行了优化设计保留了蜻蜓前缘关键几何特征，并提供了一种高效率、低成本的仿生前缘结构微纳加工方法。

2、本发明的目的在于通过蜻蜓翅膀前缘的空气动力学特性解析，开创全新的仿生空气动力学设计原型，从而进一步扩大仿生设计在航空航天和微型飞行器中的应用范围。

3、本发明基于蜻蜓翅膀前缘的特殊曲率曲面结构与微观结构设计，其中特殊曲率曲面能有效优化空气流动，提高飞行器的气动性能。

4、本发明基于蜻蜓翅膀前缘的曲率与微观结构，这些微观结构在不同飞行状态下，能够调整气流方向和速度，从而显著提升飞行器的升力和减阻能力。

5、本发明的目的在于将蜻蜓翅膀前缘的特殊曲率曲面与微观结构相结合进行优化设计，创造一种新型的高效空气动力学表面设计。

6、本发明通过分析电镜拍摄的蜻蜓翅膀前缘图片，进行优化建立了仿生前缘三维模型。该模型详细定义了仿生前缘结构的尺寸参数，仿生前缘结构由前缘微结构和前缘脉按特定的三排结构精确排列，前缘微结构主要由前部棱形和后部扇形构成：棱形部分的长度为97μm，高度为30.1μm，宽度为21.7μm；扇形部分的长度为48μm，高度为30.5μm，隆起角度为32度，前部棱形和后部扇形过渡圆弧半径为0.23mm，仿生前缘提供了对气流分层和加速的效果。

7、本发明建立的仿生前缘微观结构的三维模型，在仿生前缘微结构的表面，棱形结构尖角最大曲率为240，最小曲率为23.7，平均曲率为131.85；后部扇形结构从侧面看最外层椭圆轮廓最大曲率为142.22，最小曲率为14.55，平均曲率为78.39，末端截面宽度为41.9μm。

8、本发明对仿生前缘进行了1：1制作，包括以下步骤：

9、s1：将圆柱前缘金属片固定，使用激光雕刻工艺对圆柱前缘金属片侧面进行蚀刻获得仿生前缘脉结构，前缘脉结构分为清晰的上、中、下三排分布；

10、s2：将获得的仿生前缘脉结构中排侧面正对激光，激光按照设定轨迹对结构进行蚀刻制作单排前缘微结构；

11、s3：将获得的仿生前缘脉结构上或下排侧面正对激光(保证与中排前缘微结构方向一致)，激光按照设定轨迹对结构进行蚀刻，获得仿生前缘机翼；

12、s4：将仿生前缘机翼蚀刻边缘放入由10ml硝酸和80ml乙醇溶液混合的40℃溶液中浸泡30秒。

13、本发明在航空航天及微型飞行器设计领域的具有益处效果。

14、本发明通过优化设计蜻蜓翅膀前缘创造仿生前缘结构并提出一种微纳制作方法，具有优异气动性能的表面设计，无需特定材料限制，结构简单，技术难度低，能有效降低制造成本，同时提升飞行器的性能。

技术特征：

1.如权利要求1所述的具有蜻蜓翅膀仿生前缘设计及制作方法，其特征在于，模拟蜻蜓翅膀前缘的微观结构及其分层排列形态，优化保留了蜻蜓前缘重要的微观特征，并设计了1：1制作仿生前缘的方法。

2.如权利要求1所述的具有蜻蜓翅膀仿生前缘设计及制作方法，其特征在于，前缘结构由前缘微结构和前缘脉按特定的三排结构构成，每个前缘微结构由前部棱形结构和后部扇形结构组成，前部棱形部分的长度为97μm，高度为30.1μm，宽度为21.7μm；后部扇形部分的长度为48μm，高度为30.5μm，隆起角度为32度，前部棱形和后部扇形过渡圆弧半径为0.23mm，仿生前缘提供了对气流分层和加速的效果。

3.如权利要求1所述的具有蜻蜓翅膀仿生前缘设计及制作方法，其特征在于，详细定义了仿生前缘微结构的尺寸参数，在仿生前缘微结构的表面，棱形结构尖角最大曲率为240，最小曲率为23.7，平均曲率为131.85；后部扇形结构从侧面看最外层椭圆轮廓最大曲率为142.22，最小曲率为14.55，平均曲率为78.39，末端截面宽度为41.9μm。这些参数来着于蜻蜓前缘的关键几何特征并进行了优化，保留了蜻蜓前缘重要的微观特征。

4.如权利要求1所述的具有蜻蜓翅膀仿生前缘设计及制作方法，其特征在于，基于电镜图片的测绘和分析，根据定义的尺寸参数对前缘结构的三维形状进行了优化建模。仿生前缘模型相比蜻蜓前缘进行了适当的优化保留了关键几何特征，这些精确的尺寸参数有助于优化飞行器的设计，以达到更好的气动效率和控制性能。

5.如权利要求1所述的具有蜻蜓翅膀仿生前缘设计及制作方法，其特征在于，对仿生前缘进行了1：1制作，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的具有蜻蜓翅膀仿生前缘制作方法，其特征在于，实现了仿生前缘同蜻蜓前缘1：1的微纳加工制作，最大限度保留了蜻蜓前缘的微观特征有助于优化飞行器的设计，以达到更好的气动效率和控制性能。

技术总结本项发明关注于一种借鉴蜻蜓翅膀前缘结构的高效能空气动力学设计，这种设计受到蜻蜓特有的翅膀结构及其在飞行中对空气流动控制的启发，属于航空航天工程领域。其核心目标是通过模仿翅膀的前缘微观结构来优化飞行器的气动性能，进而提高其升力和机动性。同时，这种特殊的前缘设计有助于在飞行过程中更有效地管理空气流动，从而提升飞行效率和稳定性。本研究包括仿生前缘的设计及其制作方法。通过观测分析蜻蜓翅膀的自然结构，对前缘微观结构进行优化和三维建模并设计了一种前缘结构1：1的制作方法，以达到最佳的气动性能和升力生成效果，使得基于这种设计的飞行器在空中具有更佳的控制和稳定性。技术研发人员：胡艳娟,朱成宇,刘强,祝端毅,薛佳恒,李强,周晓勤受保护的技术使用者：长春工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11