【摘 要】
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本文从三个层面表征蜻蜓翅膀多维，多尺度的结构特征，并揭示不同结构特征对翅膀自然频率/模态、动力学响应以及飞行性能的影响.首先，尺度在10mm-50mm 范围内整体翅膀的平面翼型结构；其次，尺度范围在1mm-10mm 范围内翅膀弦向截面的空间褶皱结构；最后，尺度范围在100nm-100um 范围内翅脉和翅膜的微结构特征.为了测量不同尺度下结构的特征尺寸，我们采用不同的实验方法观察蜻蜓翅膀的上述结构特
【机 构】
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清华大学工程力学系,北京,100084
【出 处】
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中国力学大会2011暨钱学森诞辰100周年纪念大会
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本文从三个层面表征蜻蜓翅膀多维，多尺度的结构特征，并揭示不同结构特征对翅膀自然频率/模态、动力学响应以及飞行性能的影响.首先，尺度在10mm-50mm 范围内整体翅膀的平面翼型结构；其次，尺度范围在1mm-10mm 范围内翅膀弦向截面的空间褶皱结构；最后，尺度范围在100nm-100um 范围内翅脉和翅膜的微结构特征.为了测量不同尺度下结构的特征尺寸，我们采用不同的实验方法观察蜻蜓翅膀的上述结构特征，实验观察结果表明，翅膀前缘的弦截面具有显著的锯齿状褶皱结构，褶皱的尺寸为5mm-8mm ，并且随着翼展的延伸而减小，三根主要的径向翅脉截面呈现"几丁质-蛋白质"复合的三明治管状结构，处于翅根与前缘翅膜较厚(约100um )，并存在明显的分层.依据观测的翅膀结构特征，创建包含蜻蜓翅膀所有结构特征有限元模型.通过对前翅结构模型的自然频率/模态的提取、悬停飞行过程的动力学响应分析表明，蜻蜓翅膀的前四阶模态可以很好的描述蜻蜓拍打翅膀的变形，其一阶拍打频率为28.633Hz ，与实验测试的结果基本相同(约27.0Hz ).在提取结构模态的基础上，通过施加一个周期拍打构成的分布式载荷，得到翅痣中心随时间的变化关系，翅膀在整个拍打过程中的结构变形，以及约束节点的支反力和扭矩，前翅在整个拍打过程中沿着翼展方向的扭转变形显著，不同时刻的变形姿态更加合理.升力及其分量随时间变化的同步性与实验较吻合，其升力最大幅值为约2.0E-3N .此外，其动态响应过程相对于载荷的时间关系曲线存在延迟现象，随拍打过程的延续，延迟相位角增大.数值模拟的结果证实蜻蜓翅膀的各个结构特征对动力学响应行为的影响，为微型扑翼飞行器的设计和制造起到了重要的作用.
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