蜂蝇悬停和前飞时的动稳定性.pdf

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1、2015年1月北京航空航天大学学报January2015第41卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．1http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0069蜂蝇悬停和前飞时的动稳定性许娜，孙茂+(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：悬停和前飞是昆虫常用的两种飞行状态，研究昆虫在这两种状态下的动稳定性问题对昆虫飞行动力学

2、研究工作具有重要意义．基于“平均模型”和小扰动线化的思想，给出了昆虫绕平衡点处纵向和横向的小扰动运动方程；通过计算流体力学方法获得气动导数，并利用特征模态分析法求解运动方程，研究了蜂蝇悬停和前飞时的动稳定性．结果证明，悬停时纵向和横向扰动运动均存在不稳定模态，悬停是不稳定的；前飞时，纵向扰动运动的不稳定模态的倍幅期较悬停时减小，其纵向不稳定性逐渐增强，而横向不稳定性较悬停时减弱，趋于较弱或中性的稳定；前飞是不稳定的．关键词：蜂蝇；悬停；前飞；动稳定性；特征模态中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：t001．5965(2015

3、)01-0133-08近年来，随着对昆虫飞行空气动力学机理的深入研究和认识，人们将目光更多地转移到飞行动稳定性的研究上来⋯“．昆虫飞行中的扰动运动包括纵向和横向两种，通过对运动方程的线化处理，可将二者分开进行研究．对于昆虫悬停的纵向稳定性的研究，目前已经做了大量的研究工作¨’3’6’8’⋯．近年来，运用类似于纵向稳定性的处理方法，人们对昆虫的横向稳定性一。¨也进行了一定的研究．通过对不同种类昆虫稳定性的研究，昆虫悬停时纵向和横向稳定性已较为清楚，但昆虫在前飞状态下的稳定性研究较少；区别于悬停状态，昆虫在前飞时有自由来流，拍动平面倾角相

4、对较大，翅膀在下拍时的攻角和相对速度与上拍时也有很大的不同．前飞和悬停在平衡状态下运动参数的差异有可能导致二者气动导数的不同，从而出现不同的稳定特性．文献[7，12]分别研究了熊蜂前飞时纵向和横向的稳定性，总结并分析了其与悬停时动稳定性的差异．而到目前为止，由于前飞数据缺乏的局限，昆虫前飞的稳定性问题只有上述针对熊蜂开展的研究，其普适性也亟待验证．因此，其他种类昆虫前飞时的纵横向动稳定性的研究工作仍具有重要意义．本文选用具有相对完整前飞数据的蜂蝇为研究对象，应用平均模型理论和CFD方法计算其气动导数，并运用特征模态分析方法研究蜂蝇悬停

5、和前飞时的纵向和横向动稳定性．1理论模型及计算方法1．1运动方程参照文献[1，3，6]，本文采用平均模型理论：将昆虫看作一个6自由度的刚体，并利用拍动周期内的平均气动力和气动力矩来代替翅膀的拍动作用，从而昆虫的运动方程可简化为类似于传统收稿13期：2014-02-24；录用13期：2014-05-21；网络出版时间：2014-06-0914：57网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0069．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(11232002)；1

6、11项目(B07009)作者简介：许娜(1986一)，女，安徽宿州人，博士生．xuna@8se．buaa．edu．cn+通讯作者：孙茂(1955一J，男，贵州贵阳人，教授。m．sun@buaa．edu．cn，主要研究方向为仿生流体力学；f用格式：许娜，孙茂．蜂蝇悬停和前飞时的动稳定性fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41(1)；133-140．XuN．SunM．DynamicflightstabilityofamodeldroneflyinhoveHngandforwardflightfJJ．JournalofBeltingUn

7、iversityofAero—nautiesandAstronautics，2015．4JfJ)：133—140(inChinese)．134北京航空航天大学学报飞机的运动方程．为方便描述昆虫的运动，引入固联于地面的惯性系0。z。y。z。和右手体轴系Oxyz(见图1)．体轴系原点0位于昆虫的质心；平衡飞行状态下，z轴和Y轴分布在水平面内，石轴指向前方，y轴指向身体的右侧(见图1)．昆虫运动各状态变量定义如下：沿3个体轴方向(x，y，z)的速度分量分别为11,，秽，埘；绕3个体轴(省，y，z)转动的角速度分别为P(滚转角速度)，q(俯仰

8、角速度)和r(偏航角速度)；菇轴与水平面的夹角为p(俯仰角)，y轴和水平面的夹角为y(滚转角)．A一图1各状态变量定义及坐标系示意图Fig．1Definitionofstatevariablesandsketchesof