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仿生飞鱼,我们做了一架无人机 精选

已有 6216 次阅读 2021-6-7 14:42 |系统分类:教学心得

作者:严晴晴

       大学主要的学习时光飞快地度过,转眼间到了大四的毕业设计阶段,到了验证我们学习成果的时候。我们小组的四位同学聚在一起,商量着毕业设计的课题。

作为同济大学航空航天与力学学院的学生,作为未来的航空人,我们小组的四位同学—曹日兴、邹施睿、汪成,和我,严晴晴,已经在一起完成了许多飞行器相关课题,包括“未来飞行器设计”、“流体力学仿真”、“飞行器结构设计”等等,培养出了深厚的友谊和默契。在毕业之际,我们都希望能完整地运用我们所学的知识,把理论运用于实践,做一个综合性的课题。  

带着这个想法,我们去请教了本课题组的指导老师——沈海军教授,希望能在研究方向上获得一些指点。

“我的一个研究生,你们的学长余翼,在进行仿生飞鱼无人机的气动外形研究,已经取得了很大的进展,” 沈海军教授说,“飞鱼经过的自然选择和进化,对于人类的科技发展和产品设计有着相当大的参考价值,你们可以尝试研究制作仿生飞鱼无人机。”

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飞鱼

 沈海军教授一番话为我们的研究方向点亮了明灯,设计制作一架全新的原创无人机不仅能综合运用飞行器专业知识,更兼具趣味性和创新性。我们随后便联系了余翼学长,希望能邀请他加入团队,并将他的设计成果进行拓展研究。

见到余翼学长时,他正在做飞鱼计算机仿真。他热情地向我们介绍了仿飞鱼无人机的气动外形。

“我采用的是逆向设计的方法,通过用非接触式光学双目立体扫描仪,对飞鱼进行了三维扫描,获得飞鱼原始模型的点云数据。”

 

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待扫描的冷冻飞鱼              飞鱼原始模型的点云数据

 

然后我通过Imageware软件,经过孔洞修复、数据精简等步骤后,构建出了飞鱼模型的拟合曲面。

 

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飞鱼原始拟合曲面模型       仿生飞鱼无人机气动外形示意图 

 

说到这里,余翼学长顿了顿,“但你们应该都能看出,这个拟合曲面并不能直接适用于现代飞机的外形”。

“是啊,它的翼根与机身连接面太小,强度不够”,我们的组员曹日兴思考着说。

“没错,”余翼学长点了点头,“所以我用现代飞机设计思路设计,对它的气动外形进行了改良”。

 在形态提取与设计过程,学长用胸鳍的投影图来构建机翼;采用统一的翼型GAW-1;水平尾翼采取0度上反角。为了维持飞鱼的外观,保留了背部增稳尾及臀部增稳尾。改良后的仿飞鱼飞机外形,即保留了自然界中飞鱼的灵动,又增添了科研设计的稳重。

 “得到仿生飞鱼无人机气动外形后,我使用电脑软件Fluent来计算气动性能。这就是我的仿真结果,”余翼学长点开图片展示给我们,“让人惊喜的是,仿生飞鱼无人机具有较优的气动性能,最大升力系数为1.6,失速迎角可以达到27°,最大升阻比高达26。”

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仿生飞鱼无人机机身对称面处压强分布

 仿生飞鱼无人机具有以下优点:在低速飞行环境下能够更好地获得升力;具有较强的抗失速特性,在飞行过程中更加稳定和可靠;尾部不容易出现气流的分离,具有减小阻力的特性;机身上部会出现气流流速较快、压力较低的区域,能够产生额外的升力,对于整体升阻特性有积极的贡献。

“我有个想法,希望能制造出仿飞鱼的整体无人机,但碍于精力有限,你们愿意把后续的研究作为毕设课题吗?”

听余翼学长这么说,我们都有些兴奋,“既然仿生飞鱼无人机拥这么优秀的结构外形,那我们对它的内部构造开展设计,若是成功试飞还能为航空工业的发展做出一份贡献!”

确定了毕设题目,我们便分工展开。

曹日兴同学负责用CATIA进行内部构造的设计,建模过程为:机身隔框→机身主梁→机翼→尾翼。

在设计之初,我们便考虑到了激光切割机尺寸及飞机的装配运输问题,决定将飞机设置为可拆分结构。在机身内部共设计了14个机身隔框,拆分面在机翼中段的7、8隔框之间。事实证明,拆分后的飞鱼飞机可以放在汽车后备箱,大大降低了运输成本。

为了符合飞鱼的外形特征,平尾大幅前移;为了保留飞鱼的运动特点,尾翼采用了全动垂尾。

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CATIA3D建模

 邹施睿同学进行的是结构强度分析,是飞机安全性和可靠性的保证。

“咦?”邹施睿看着ANSYS软件的分析结果皱了皱眉,“这个机翼结构不太行”。

负责结构的曹日兴闻声便探过头去,“哪里有问题吗?”。

“你看,机翼最大位移出现在最外侧翼肋面的连接处,也就是翼尖位置,位移量为7.44mm,是不是有点过大了?并且机翼的最大应力为9.92MPa,远远小于层板的许用应力,造成了强度的浪费。”

“嗯,你说得对,看来结构需要优化。” 曹日兴打开CATIA的图纸准备进行修改,此时,我和汪成凑过头去。

“我对结构也有一点看法”,此时的我已经提取了外形数据,导入了AVL软件进行稳定性仿真,“我们飞鱼外形的横向稳定性由背鳍和臀鳍改善,因此这两处应该做上结构进行加固。还有副翼、垂尾,是改变飞行姿态的主要操纵面,也应该加固。”

我的话音刚落,汪成就开口道,“还有这里”,他指向机身的2号隔框,“这里与电机直接相连,承受电机的主要拉力,需要加固,我建议采用4mm椴木层板”。

“另外,小曹同学,我需要估算的飞机重量,来选择电机和螺旋桨,”负责动力系统和电子设备的汪成同学说。

“我也需要飞机重量和降落的加速度,来进行起落架强度分析。”邹施睿看向了我和曹日兴。

小曹同学闻言和我相视一笑,初步的气动和结构分析是后续工作开展的基础,因此我们俩前期是最为忙碌的。

由于我们四人工作的侧重点不同,相互之间的协调妥协是少不了的。例如汪成同学重视续航性能,就要强调结构减重;而邹施睿同学重视结构强度,要对主承力部件进行加强。我为了气动外形的流畅,希望增加边肋、半肋;而曹日兴同学为了装配时部件不相互干涉,需要减少部分多余约束。

我们小组的四人就像四个微型的飞机设计部门,在不断地争论和协调中,仿飞鱼电动飞机的雏形被完善,性能一步步被优化。

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优化后的ANSYS机翼强度分析

 仿飞鱼电动飞机在经过两个月的设计后终于定稿。由100余部件与我们的心血组成的设计稿已经万事俱备,只欠“制作”。

曹日兴同学将三维CAD模型各部件投影成二维工程图,便可得到激光切割的零件加工图纸。经过激光切割,即可得到激光切割飞机模型零件。我们对零件进行组装、胶水固定、铺设蒙板、打磨、贴迷彩蒙皮、加装动力装置与控制系统后,一架飞鱼无人机便大功告成。

完成后的飞鱼无人机翼展1.5米、身长1.8米,后三点起落架布局,安装了双叶高效率螺旋桨,由一枚大功率电机和6S锂电池提供动力。外形线条流畅、结构牢固。

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电子设备及控制关系

      制作完成后,下一步开展的就是试飞工作。经指导老师沈海军的建议,试飞地点定在上海松山区佘山附近的玄风航空飞行基地进行。该飞行基地是上海地区官方指定的试飞点,拥有一条200米的跑道,以及一片宽阔的空域,完全能满足试飞需求。

沈老师还为我们引荐了一位资深的飞手—李浩。李老师拥有专业的飞行执照,他丰富的飞行经验能为我们仿飞鱼飞机的试飞之旅保驾护航。

试飞现场,在紧张的试飞准备工作与调试完成后,飞机在地面滑跑约50米后达到起飞速度,经过3秒左右的爬升后,到达30m的安全飞行高度,在空中绕场飞行。平飞速度约为70千米每时,巡航迎角保持在5°,飞行姿态稳定。

前几次飞鱼飞机的转弯姿态都顺滑,而最后一次转弯时,飞机受侧风影响,机体左右摇摆,看得我们心惊不已。

飞机的稳定性是由我进行仿真的,滚转稳定性的仿真结果不仅符合设计标准,更是称得上优秀,在地面暗自祈祷的我,也相信我们飞机的“实力”。

果不其然,飞鱼飞机在平飞后很快地恢复了飞行姿态。

在李老师的操作下,之后飞鱼飞机对准跑道,经过6秒下降到2m左右,以8m/s的速度贴地飞行,最终以平稳的姿态成功在跑道上降落,翼尖、起落架、垂尾等载荷较大处均完好无损。

试飞的成功让我们都兴奋不已,余翼学长也在第一时间发来了祝贺。成功试飞意味着飞鱼外形是可供人类参考的优秀范本。在理论模拟、和验证机制作试飞过程中,仿飞鱼飞机都表现出了优秀的性能,有望将我们的成果运用于未来的无人飞行器设计乃至小型有人飞行器设计中,为未来飞行器设计提供更多的选择。

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从左到右:汪成、邹施睿、李浩、严晴晴、曹日兴

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仿飞鱼飞机空中翱翔

 “研制仿生飞鱼无人机,并让其飞上蓝天,是一件激动人心的事。这项工作展示了仿生飞行学的神奇魅力,对于人类发展和设计新型飞行器有重要价值。”指导老师沈海军表示。

---《大学生》杂志约稿

请欣赏我们飞鱼飞机成功试飞的视频:

http://blog.sciencenet.cn/video.php?mod=vinfo&pid=823

此过程中我们也曾失败,下面是试飞失败视频,当时都哭了。

http://blog.sciencenet.cn/video.php?mod=vinfo&pid=819



https://wap.sciencenet.cn/blog-39356-1290109.html

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