一种三维蜻蜓褶皱翼模型及其构建方法

本发明涉及微型飞行器，尤其涉及一种三维蜻蜓褶皱翼模型及其构建方法。

背景技术：

1、蜻蜓作为自然界最优秀的飞行者之一，是最适合fmav(微型扑翼飞行器)仿生的物种之一，蜻蜓的气动特性一直备受国内外学者的关注。蜻蜓可实现向前、向后、向左右两侧飞行、空中悬停、俯冲和急转等机动动作，在捕杀猎物时甚至还可以作短距离的上下垂直飞行，具有极其优秀的飞行性能。蜻蜓优异的空气动力学性能来源于蜻蜓的主要空气动力学构件----蜻蜓翼。蜻蜓翼结构十分复杂，但又薄且轻，占其总体重的1％～2％左右，具有非常好的稳定性和极高的承载能力。

2、蜻蜓翼主要由一对翅膜起连接及支撑作用的管状翅脉和很薄的翅膜(厚度4微米)组成，翅膜被翅脉分成三角形，四边形，五边形，六边形。翅脉是一种质量轻且性能优良的类桁架结构，是蜻蜓的主要承载结构，在力学性能中发挥关键作用，而翅膜则是翅膀产生空气动力的主要结构。蜻蜓翼横截面的形状沿展向呈褶皱状，整个横截面上的厚度也有细微差异，是蜻蜓翼上最为显著的结构，大量研究表明褶皱结构在蜻蜓飞行过程中不仅能降低蜻蜓翼的摩擦阻力，而且能增加翅膀的刚度。所以在进行仿真模拟中，褶皱结构的影响是不能忽略的，同时考虑翅脉和翅膜的影响才能真实反映蜻蜓翼的空气动力学性能和力学性能。

3、为探究蜻蜓翼的空气动力学和力学性能，国内外科学家进行了大量实验和仿真模拟，而是否拥有并采用高精度准确的蜻蜓翼模型往往是决定实验和仿真模拟成功与否的关键因素。为了得到准确的蜻蜓翅膀的三维褶皱模型，人们采用了各种技术和方法，如扫描电镜技术、微型计算机断层扫描技术，激光扫描技术等，但是这些方法对技术设备的要求非常高，且经济性不好。

4、目前大多数的实验研究和数值分析中，学者们常将蜻蜓翅膀简化为一个仅具有翅膀外轮廓的平板模型，然而在对蜻蜓翅膀形态和结构的研究中发现蜻蜓翅膀结构复杂，看似一个二维平面结构，实际上是一个空间立体三维褶皱结构。国内对蜻蜓翼气动特性和力学性能的研究起步较晚，且大多情况下由于用于实验或仿真模拟的模型与真实情况下的蜻蜓翼相去甚远，导致最后的结果和结论具有一定的局限性。通过查阅资料可知，广泛应用于研究的蜻蜓翼模型有：二维蜻蜓翼平板模型，二维标准翼型，三维蜻蜓翼平板模型，三维蜻蜓翼褶皱模型等，并且考虑到模型的精确程度和蜻蜓在真实飞行状态下蜻蜓翼的柔性变形，最终得出的研究结果的局限性和误差性就特别凸显出来了，具体体现在人们对蜻蜓翼做了过多的简化，例如，在研究空气动力学性能时，假设翼面形状与蜻蜓翼相同，忽略了微结构的作用；在研究变形和结构性能时，则考虑其微结构的作用，而忽略了翅膜的作用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种三维蜻蜓褶皱翼模型及其构建方法。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种三维蜻蜓褶皱翼模型，包括三维褶皱蜻蜓翼模型和三维蜻蜓躯干模型，所述三维褶皱蜻蜓翼模型包括蜻蜓三维前翼褶皱模型和蜻蜓三维后翼褶皱模型，所述蜻蜓三维前翼褶皱模型和所述蜻蜓三维后翼褶皱模型关于所述三维蜻蜓躯干模型对称，所述蜻蜓三维前翼褶皱模型包括利用三维建模软件绘制的仿蜻蜓前翼展向横截面褶皱的前翼型和设置在所述前翼型上的褶皱模型，所述前翼型包括翅膀，所述翅膀由翅脉和翅膜组成，所述翅脉包括横脉和纵脉，所述横脉、纵脉相互交错，且所述纵脉、横脉交叉连接形成封闭的区域得到翅膜面，所述翅膜完全填充在所述翅膜面内形成蜻蜓前翼二维平面模型，所述褶皱模型包括设置在所述翅膀上的褶皱结构，所述褶皱结构由所述蜻蜓前翼二维平面模型中的所述翅膜面依据偏转原则偏转形成，所述褶皱结构与所述蜻蜓前翼二维平面模型构成蜻蜓三维前翼褶皱模型。

3、进一步的，所述三维蜻蜓躯干模型包括躯干和设置在所述躯干上的头部和蜻蜓腿部，所述躯干两侧分别设置有褶皱右前翅、褶皱右后翅、褶皱左前翅和褶皱左后翅。

4、进一步的，所述蜻蜓三维前翼褶皱模型忽略所述翅脉和所述翅膜沿展向和弦向的尺寸变化对其空气动力学性能无影响的结构，所述翅脉和所述翅膜的尺寸取平均值。

5、进一步的，所述蜻蜓三维前翼褶皱模型忽略对其空气动力学性能无影响的皱褶以及皱褶内部结构的影响，忽略翅脉形状的细微变化，所述翅脉形状简化为圆管，圆管状的所述翅脉直径为0.18mm，所述翅膜的厚度为0.004mm。

6、进一步的，所述翅脉在外轮廓处包括翅脉前缘、翅脉后缘、翅根和翅尖，所述纵脉沿着所述翅根到所述翅尖方向严格按照凸凹的次序排列且起伏的幅度逐渐减小，所述翅脉的管径从所述翅脉前缘到所述翅脉后缘方向逐渐变小。

7、进一步的，所述翅膜面的所述偏转原则为保证各个横截面的褶皱结构平滑过渡。

8、本发明还公开了一种三维蜻蜓褶皱翼模型构建方法，包括上述所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型；该方法首先利用三维建模软件仿蜻蜓前翼展向横截面褶皱的模型绘制所述蜻蜓前翼二维平面模型，再根据蜻蜓前翼的实际结构特征以及对蜻蜓前翼的测量实验，对所述蜻蜓前翼二维平面模型做出简化，可将所述翅脉之间纵横交错的点看作记录蜻蜓翅膀轮廓的特征点，将高清的蜻蜓前翼数码图片导入三维建模软件，根据实际测量的数据，对图片按比例进行缩放，以保证与真实蜻蜓翅膀一致的参数，通过图片中每一个翅脉交错点确定这些点在二维x-y坐标系中的具体位置，得到每一个翅脉交错点的x坐标和y坐标，利用样条曲线沿着翅脉连接这些交错点，至此建立翅脉曲线形成基本轮廓，填充所有的翅脉曲线形成封闭的区域得到的翅膜面后得到蜻蜓前翼二维平面模型；将所有翅膜面偏转得到翅膜曲面，建立偏转翅膜面上代表性的起点和终点得到翅脉交错点的z坐标，即完成翅脉交错点的三维坐标的建立，翅脉曲线和翅膜曲面的空间分布形成了蜻蜓前翅上的褶皱结构，从而得到蜻蜓三维前翼褶皱模型；再用同样的方法构建出三维后翼褶皱模型，利用三维建模软件构建出三维蜻蜓躯干模型，最后将三维褶皱蜻蜓翼模型和三维蜻蜓躯干模型组合为一体，便组成了三维蜻蜓褶皱翼模型。

9、本发明有益效果：

10、1.本发明构建的三维蜻蜓整体模型，更贴近蜻蜓真实飞行的情况，可以使模拟结果更加准确，躯干部分很好的还原了蜻蜓原有的特征，在对蜻蜓整个个体进行研究时更加真实的体现了蜻蜓真实的状态，可以在进行仿真模拟过程中同时考虑蜻蜓翼和蜻蜓躯干对蜻蜓整体气动特性的影响。

11、2.本发明中构建模型的方法可以有效的克服对设备高要求的缺点，方法简单，成本低廉，可操作性强等优点；在模型建立过程可以为其他模拟计算的模块建立提供灵感，所建立的模型条件下可进行大量的仿真研究，为研究仿生微型扑翼飞行器的扑动方式及扑动机构提供设计思路，并可为航空航天飞行器和仿生微型扑翼飞行器的气动外形，扑动方式，实物制造的设计、研制和开发提供技术参考。

技术特征：

1.一种三维蜻蜓褶皱翼模型，其特征在于：包括三维褶皱蜻蜓翼模型和三维蜻蜓躯干模型，所述三维褶皱蜻蜓翼模型包括蜻蜓三维前翼褶皱模型和蜻蜓三维后翼褶皱模型，所述蜻蜓三维前翼褶皱模型和所述蜻蜓三维后翼褶皱模型关于所述三维蜻蜓躯干模型对称，所述蜻蜓三维前翼褶皱模型包括利用三维建模软件绘制的仿蜻蜓前翼展向横截面褶皱的前翼型和设置在所述前翼型上的褶皱模型，所述前翼型包括翅膀，所述翅膀由翅脉和翅膜组成，所述翅脉包括横脉和纵脉，所述横脉、纵脉相互交错，且所述纵脉、横脉交叉连接形成封闭的区域得到翅膜面，所述翅膜完全填充在所述翅膜面内形成蜻蜓前翼二维平面模型，所述褶皱模型包括设置在所述翅膀上的褶皱结构，所述褶皱结构由所述蜻蜓前翼二维平面模型中的所述翅膜面依据偏转原则偏转形成，所述褶皱结构与所述蜻蜓前翼二维平面模型构成蜻蜓三维前翼褶皱模型。

2.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型，其特征在于：所述三维蜻蜓躯干模型包括躯干和设置在所述躯干上的头部和蜻蜓腿部，所述躯干两侧分别设置有褶皱右前翅、褶皱右后翅、褶皱左前翅和褶皱左后翅。

3.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型，其特征在于：所述蜻蜓三维前翼褶皱模型忽略所述翅脉和所述翅膜沿展向和弦向的尺寸变化对其空气动力学性能无影响的结构，所述翅脉和所述翅膜的尺寸取平均值。

4.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型，其特征在于：所述蜻蜓三维前翼褶皱模型忽略对其空气动力学性能无影响的皱褶以及皱褶内部结构的影响，忽略翅脉形状的细微变化，所述翅脉形状简化为圆管，圆管状的所述翅脉直径为0.18mm，所述翅膜的厚度为0.004mm。

5.根据权利要求4所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型，其特征在于：所述翅脉在外轮廓处包括翅脉前缘、翅脉后缘、翅根和翅尖，所述纵脉沿着所述翅根到所述翅尖方向严格按照凸凹的次序排列且起伏的幅度逐渐减小，所述翅脉的管径从所述翅脉前缘到所述翅脉后缘方向逐渐变小。

6.根据权利要求1所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型，其特征在于：所述翅膜面的所述偏转原则为保证各个横截面的褶皱结构平滑过渡。

7.一种三维蜻蜓褶皱翼模型构建方法，其特征在于：包括权利要求1-5任意一项所述的一种三维蜻蜓褶皱翼模型；该方法首先利用三维建模软件仿蜻蜓前翼展向横截面褶皱的模型绘制所述蜻蜓前翼二维平面模型，再根据蜻蜓前翼的实际结构特征以及对蜻蜓前翼的测量实验，对所述蜻蜓前翼二维平面模型做出简化，可将所述翅脉之间纵横交错的点看作记录蜻蜓翅膀轮廓的特征点，将高清的蜻蜓前翼数码图片导入三维建模软件，根据实际测量的数据，对图片按比例进行缩放，以保证与真实蜻蜓翅膀一致的参数，通过图片中每一个翅脉交错点确定这些点在二维x-y坐标系中的具体位置，得到每一个翅脉交错点的x坐标和y坐标，利用样条曲线沿着翅脉连接这些交错点，至此建立翅脉曲线形成基本轮廓，填充所有的翅脉曲线形成封闭的区域得到的翅膜面后得到蜻蜓前翼二维平面模型；将所有翅膜面偏转得到翅膜曲面，建立偏转翅膜面上代表性的起点和终点得到翅脉交错点的z坐标，即完成翅脉交错点的三维坐标的建立，翅脉曲线和翅膜曲面的空间分布形成了蜻蜓前翅上的褶皱结构，从而得到蜻蜓三维前翼褶皱模型；再用同样的方法构建出三维后翼褶皱模型，利用三维建模软件构建出三维蜻蜓躯干模型，最后将三维褶皱蜻蜓翼模型和三维蜻蜓躯干模型组合为一体，便组成了三维蜻蜓褶皱翼模型。

技术总结本发明公开了一种三维蜻蜓褶皱翼模型及其构建方法包括三维褶皱蜻蜓翼模型和三维蜻蜓躯干模型，三维褶皱蜻蜓翼模型包括蜻蜓三维前翼褶皱模型和蜻蜓三维后翼褶皱模型，蜻蜓三维前翼褶皱模型包括前翼型，前翼型包括翅膀，翅膀上设置有褶皱结构，翅膀由翅脉和翅膜组成，翅脉包括横脉和纵脉，纵脉和横脉交叉连接形成封闭的区域得到翅膜面，所有区域中填充翅膜完成后得到蜻蜓前翼二维平面模型，褶皱结构由蜻蜓前翼二维平面模型中的翅膜面偏转形成；本发明更贴近蜻蜓真实飞行的情况，可以在进行仿真模拟过程中同时考虑蜻蜓翼和蜻蜓躯干对蜻蜓整体气动特性的影响；该方法可以有效克服对设备高要求的缺点，方法简单，成本低廉，可操作性强。技术研发人员：于沨,何国毅,刘惠祥,罗云受保护的技术使用者：南昌航空大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29