3撲翼原型機制備

3.1撲翼外形設(shè)計

基于上述有限元分析結(jié)果，對翼膜和翅脈進行改進設(shè)計。針對機翼的輕量化設(shè)計，首先根據(jù)氣動性能設(shè)計翼型，剛性前緣由碳纖維桿組成，柔性翼面由聚酯薄膜構(gòu)成。機翼后緣固定在機身上，確保翼面柔性材料在機翼撲動過程中能夠發(fā)生顯著變形，在一定程度上實現(xiàn)機翼的扭轉(zhuǎn)運動，使原型機獲得更優(yōu)的氣動性能?；?/span>“翼膜+翅脈”的機翼設(shè)計方案，采用碳纖維桿將整個翼膜包裹其中以增強剛性，所設(shè)計的機構(gòu)與撲動機構(gòu)連接，通過該方案可提高機翼剛度。

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”復合結(jié)構(gòu)的仿生翼型設(shè)計方案。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度，還能最大限度地降低機翼自身重量。為提升翼型機構(gòu)的氣動性能，采用直徑1mm的碳纖維增強復合材料在機翼前緣和翼根處對翼面進行支撐，通過套筒式非固定連接方式保證撲動過程中的被動俯仰運動，該設(shè)計有效模擬了自然翅膀在撲動過程中的自適應變形特性。

本研究對機翼結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，建模過程中將機翼幾何形狀簡化為橢圓形翼面結(jié)構(gòu)，設(shè)計了三種不同的機翼結(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。有限元建模過程中，選用殼單元進行離散化處理，無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。橢圓形機翼前六階振型仿真結(jié)果顯示，振動均發(fā)生在橢圓形機翼的后緣，由于后緣無翅脈支撐，彎曲剛度極低，該區(qū)域易引發(fā)振動。

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，盡管振動仍主要發(fā)生在機翼后緣，但振動區(qū)域顯著減小，說明翅脈的引入有效增強了局部剛度，抑制了結(jié)構(gòu)的整體振動響應。

將橢圓形機翼周圍整個區(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，振動集中區(qū)域轉(zhuǎn)移至機翼中部，原因是該區(qū)域未設(shè)置翅脈支撐，結(jié)構(gòu)剛度相對較低，成為振動主導模態(tài)的敏感區(qū)域。

研究表明，翅脈材料的引入可顯著增強結(jié)構(gòu)的整體剛度，進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，更易形成振動集中區(qū)域；通過優(yōu)化高剛度材料（如翅脈）的空間布局，可實現(xiàn)振動模態(tài)的有效調(diào)控，從而降低振動幅度及其影響范圍。

3.2撲翼材料選擇

柔性撲翼飛行器的機翼材料通常包括兩類：用于增強剛度的翼肋和輕質(zhì)翼膜。這些材料的選擇需在滿足力學和氣動性能要求的前提下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化和功能協(xié)同。機翼作為活動部件，其質(zhì)量直接影響轉(zhuǎn)動慣量大小，對于運動部件，應減輕其重量以降低運動慣性，密度是首要考慮的因素。除驅(qū)動電源、電路板、線圈等部件外，機身框架是零件數(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，必須具備高比強度和比剛度，才能在保持剛性的同時有效減輕重量，從而降低飛行過程中機翼的轉(zhuǎn)動慣性，提高機動性。因此，為確保整個撲翼裝置質(zhì)量盡可能小，所選框架材料的密度也應盡可能低；為提高機翼剛度，需引入翅脈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)需具備一定的強度并能承受變形，選用密度較低的材料制造翅脈部件可實現(xiàn)更小的機翼質(zhì)量。

T800碳纖維復合材料具有低密度（1.6g/cm3）、極高的抗拉強度和剛性，能夠顯著降低結(jié)構(gòu)重量，同時增強機翼和結(jié)構(gòu)框架的抗變形能力與耐久性，進而提高飛行器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，T800材料具有良好的可設(shè)計性，通過調(diào)整纖維排列方式可進一步優(yōu)化其性能。憑借優(yōu)異的力學性能和輕量化特性，T800碳纖維復合材料非常適合應用于對性能和重量有較高要求的微型飛行器（MAVs）設(shè)計中。因此，本文選用T800碳纖維復合材料作為機翼框架材料，以滿足結(jié)構(gòu)強度和輕量化要求，綜合考慮后，選取直徑1mm的T800碳纖維作為機翼框架結(jié)構(gòu)。

在本項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，翼膜與翼肋粘接，直接參與氣動載荷的傳遞，翼膜材料必須具備良好的柔韌性和氣密性，以承受撲動運動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)在復雜條件下長期可靠運行，翼膜材料的選擇應滿足以下要求：一是低密度，以減輕翼面質(zhì)量并優(yōu)化動態(tài)響應；二是優(yōu)異的粘接性，以增強膜材料與框架的連接穩(wěn)定性；三是良好的柔韌性，以適應飛行過程中的彈性變形；四是形狀保持能力，為更貼近昆蟲翅膀的形態(tài)，翼面應盡可能接近仿生形狀，因此翼膜材料制成后不應易變形，以保持預期的氣動外形。這些性能要求共同構(gòu)成了柔性翼材料選擇的設(shè)計依據(jù)。

設(shè)計撲翼飛行器時，主要選取PET薄膜材料、聚酰亞胺薄膜材料和無紡布風箏布進行實驗對比，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、復合層）之間的界面相互作用力相對較??；聚酰亞胺薄膜表面能較高，有利于材料間的粘接和界面結(jié)合，當微型撲翼與膠粘劑或復合材料復合時，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；風箏布薄膜作為涂層或復合材料，表面相對粗糙。這些差異對翼膜的力學性能和界面行為具有顯著影響，因此選取這三種材料進行翼膜設(shè)計，探究不同性能材料對撲動機構(gòu)力學性能的影響。

3.3撲動機構(gòu)打印

本文設(shè)計的單自由度撲動機構(gòu)采用DLP光固化成型技術(shù)打印，所使用的3D打印機為RayshapeP400（Raise3D，中國上海），其投影分辨率高達3840×2160像素，打印速度為每小時15毫米。選用樹脂材料進行打印，將打印好的單自由度部件進行組裝，組裝完成后，用膠水將預先切割好的翼膜材料粘接在撲動機構(gòu)的連桿表面，用于實驗測試的撲動機構(gòu)原型如下所示。

4結(jié)論

為探究T800復合材料和不同翼膜材料對撲動機構(gòu)力學性能的影響，本文設(shè)計了一種單自由度撲動機構(gòu)，基于T800碳纖維桿在翼膜表面的不同分布方式，開發(fā)了三種機翼結(jié)構(gòu)，結(jié)合三種不同的翼膜材料進行力學性能對比實驗，得出以下結(jié)論：

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

• 在低電壓驅(qū)動條件下，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)于聚酰亞胺膜和風箏布材料。

三種翼膜材料的力學性能數(shù)據(jù)表明，在工程實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性能和結(jié)構(gòu)可靠性。