蜻蜓膜翅结构有限元分析及测试开题报告

1. 研究目的与意义

蜻蜒具有高超的飞行能力，不但能向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，甚至是短距离的垂直飞行。蜻蜓多样的飞行技巧和飞行方式主要来源于其翅翼的巧妙结构，而且经过亿万年的生物演化，为了更好地适应其生存环境，蜻蜒膜翅在结构、功能、材料和性能方面都达到了最优化。蜻蜒膜翅质量约为自身总质量的1％～2％，但在飞行中却表现出超强的稳定性和承载能力。蜻蜒膜翅主要由翅膜、对翅膜起支撑和连接作用的纵脉、横脉以及防颤振的翅痣组成，翅脉纵横交错构成既质轻又性能优良的类桁架结构，在力学性能中发挥关键作用。

蜻蜓翅膀飞行力学的研究方法在不断地进化。是通过不同边形网格的组合运用，使结构更加优化。最早人们用绳子系住蜻蜓,研究其飞行与空气动力之间的关系;后来人们利用高速摄影机记录蜻蜓在固定空间里自由飞行的轨迹,分析其非定常空气流动特性;再后来人们在风洞内观测蜻蜓的飞行,研究飞行的空气动力学特性。而目前国内外学者对蜻蜓翅膀的研究工作主要集中在对其空气动力学方面的研究，包括运动参数的测量、运动机理的分析、具体构造的研究等。而对蜻蜒膜翅自身结构的优越性、稳定性和合理性方面的具体研究还不够深入。

为了理解和向生物系统学习进而进行技术创新，以蜻蜒膜翅为研究对象，以研究蜻蜒膜翅仿生模型的静力学特性为目标，采用ansys有限元模拟软件对蜻蜒膜翅有限元模型进行结构静力学分析。有限元法随着计算机科学和技术的快速发展，已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。ansys是一个功能强大的用于设计分析及优化的大型通用有限元分析软件，功能包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。

2. 研究内容和预期目标

蜻蜓翅膀看似一个二维平面结构,实际上它是三维空间框架结构。蜻蜓的翅膀主要是由翅脉和翅膜组成:翅脉是由蛋白质和微纤维组成,翅脉壁厚上还存在着神经细胞和气管,其管径是变化的,拓扑形状亦相当复杂,翅脉管径方向有复杂的微结构。因此翅脉力学参数的测量有相当大的难度。

翅脉又分为纵脉和横脉,主要起支撑翅膀的作用。其中,纵脉起刚性支撑作用,横脉起柔性变形作用。翅膜是翅膀主要的空气动力结构,它非常薄,一般只有2-3微米。蜻蜓翅膜可以分为背部层、中间层和腹部层，尽管翅膜如此之薄,却能够承受比其自身重量大许多的空气动力。翅膀的前缘和后缘为流线形,增加了它的灵活性。翅膀翼展方向的尖锥形状(翅尖)有两个功能:一方面,它可以减少惯性矩,降低振翅时所需的能量,缓解翅尖内的应力;另一方面,它使翅尖在受到过大的惯性力和突发冲击荷载时,能够更灵活地飞行和变形。

蜻蜓膜翅几何构型的特定功能适应性,具有其存在的合理性,必然存在定量的规律性,实验以蜻蜒膜翅为研究对象,采用光学测量技术对其进行定量测量,获取空间表面数据，翅膜几何形态和微观结构，尝试利用激光三维扫描系统测量蜻蜒膜翅样品的几何外形，再利用逆向工程软件imageware进行蜻蜒膜翅外形三维几何曲面模型的重构。将imageware生成的蜻蜒膜翅模型导入autocad软件，参考蜻蜒膜翅的体视显微镜照片，结合其几何特征以及翅脉的分布情况绘制蜻蜒膜翅脉络图，导入ansys软件中添加翅膜，生成完整的蜻蜒膜翅模型。

3. 研究的方法与步骤

（1）本课题拟采用的研究方法

研究蜻蜓翅膜的结构涉及到多种实验方法：活体观测、实验测量、数值模拟、理论分析以及力学和生物学相结合的综合研究方法。

我们首先利用激光三维扫描系统测量蜻蜓膜翅样品的几何外形,该系统的测量方式为激光扫描、ccd成像并转换为空间坐标，获取蜻蜓膜翅几何表面的外形数据点群。再利用逆向工程软件对蜻蜓膜翅点群数据进行一系列的处理。最后根据蜻蜓膜翅的外形特征,进行蜻蜓膜翅外形三维几何曲面模型的重构。

4. 参考文献

5. 计划与进度安排

[1]03月2日～03月13日查阅相关资料；提交开题报告；

[2]03月16日～03月27日学习软件；提交外文翻译初稿；

[3]03月30日～04月17日建模与计算分析，实验测量；