T800碳纤维复合材料在扑翼中的结构设计与力学性能研究（上）

摘要

微型扑翼飞行器凭借其优越的机动性和隐蔽性，在军事和民用领域均具有广阔的应用前景。然而，轻质材料的研发与优化一直是限制其性能提升的关键因素。本文设计了一种单自由度微型扑翼飞行器的扑翼机构，选用T800碳纤维复合材料作为框架材料，选取聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）和无纺布风筝布三种典型翼膜材料进行对比分析，提出了三种不同刚度的扑翼构型。这些扑翼均采用碳纤维复合材料框架，翼膜材料通过涂层与框架粘接。受仿生学启发，设计了模仿昆虫翅脉结构的扑翼，通过改变翼膜材料类型和碳纤维复合材料在机翼上的分布，可实现扑翼刚度的调控，进而影响扑翼飞行器的力学性能。采用有限元分析方法对扑翼结构进行模态分析，利用3D打印技术制作实验原型机。为评估不同翼膜材料对升力性能的影响，搭建了高精度测力实验平台，进行系统测试并分析不同扑翼频率下的升力特性。通过计算建模与实验验证表明，在相同扑翼频率下，T800碳纤维复合材料框架可显著提高扑翼的刚度和耐久性；此外，翼膜材料的选择对升力性能影响显著，其中PET翼膜在高频条件下表现出优异的稳定性和升力性能。本研究为微型扑翼飞行器翼膜材料的优化选择提供了关键实验依据，验证了T800碳纤维复合材料在微型扑翼飞行器中的应用潜力，为先进复合材料在高性能微型扑翼飞行器中的应用开辟了新路径。

1引言

扑翼飞行器的设计灵感源于对自然界鸟类和昆虫飞行机制的仿生研究。与传统固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器能够精确复刻生物翅膀的周期性扑动和三维扭转运动，在低雷诺数流体环境中实现高效的气动性能。仿生结构设计使其对复杂环境具有出色的适应性，能够在狭小空间稳定飞行，并具备高机动性、低噪声等优势。这些特性使得扑翼飞行器在微型无人机领域具有重要的应用价值。

轻量化技术作为提升飞行器综合性能、优化能源利用效率和增加有效承载能力的关键手段，一直是航空航天领域的研究核心。因此，重量是衡量飞行器设计先进性的重要指标之一。在满足飞行任务的前提下，减轻飞行器重量是设计者的永恒追求。将轻量化设计应用于扑翼飞行器，意味着更轻的机身、更低的能耗、更高的灵活性和便捷性，从而拥有更广阔的市场前景。因此，希望在满足一定强度、刚度和寿命要求的前提下，设计出结构轻量化的扑翼飞行器。轻量化主要有两种途径：一是结构优化，二是采用性能更优异的材料，尤其是先进复合材料。

结构是航空航天装备的骨架，长期以来一直是系统轻量化的主要对象。材料结构轻量化需要充分合理地应用高性能轻质材料（如轻质合金、复合材料、泡沫/泡沫芯/颗粒点阵材料等）、新型结构优化设计方法（拓扑优化、整体优化等）和新工艺技术（增材制造、复合制造等），通过材料在结构空间的合理布局和参数优化，实现多种承载性能的优化和轻量化。

随着仿生飞行器技术的快速发展，扑翼飞行器因其高效的气动特性和仿生机动性，已成为研究热点。传统金属材料在大型飞行器中应用较为普遍，但在扑翼飞行器领域，其在实现高升力、低能耗和长寿命方面面临重量大、疲劳性能不足等挑战。复合材料凭借其轻量化、高比强度、优异的抗疲劳性和可设计性，为扑翼飞行器结构设计和性能提升提供了新思路，推动了微型扑翼飞行器研究的重大进展。复合材料在现代扑翼飞行器中的应用主要体现在减重、气动优化和功能集成方面。在减重方面，碳纤维增强复合材料具有极高的强度和较低的密度，应用广泛；在气动优化方面，树脂基复合材料通过整体成型工艺，具有高精度特性，在微型扑翼飞行器中具有广阔的应用前景。国际上关于复合材料在扑翼飞行器中的研究已形成较为规范的集成模式，主要集中在美国、日本和欧洲的研究机构。美国国防高级研究计划局（DARPA）于1992年提出微型飞行器概念，推动了复合材料在微型扑翼飞行器中的应用。哈佛大学的Robobees系列采用智能复合材料微结构（SCM）技术，将压电材料嵌入复合材料机翼结构，实现了翼展3厘米、重量80毫克的超微型设计。最新一代RobobeeX-Wing通过四翼结构优化和复合材料轻量化设计，重量为259毫克，推力效率接近同体积昆虫。代尔夫特理工大学的DeflyNimble扑翼机器人采用透明聚酯薄膜复合机翼结构，实现了类似果蝇的敏捷飞行动作，包括时速25公里的急转弯和后空翻，充分展现了复合材料在实现复杂运动学方面的优势。

2材料与方法

2.1单自由度扑动机构

为探究不同翼膜材料对仿生飞行器气动特性的影响，本研究设计了一种单自由度扑翼机构，并基于该机构开展实验研究。该机构通过单一驱动源实现扑动运动，显著降低了机械复杂性，提高了系统的功重比，从而满足仿生飞行器的轻量化设计要求。简化的结构有效避免了多自由度系统固有的协调控制和运动耦合问题，便于快速搭建和调试，同时减少了加工成本、装配误差和潜在故障点，提高了实验系统的稳定性和重复性。此外，单自由度设计有利于精确控制扑翼频率、振幅等关键运动参数。

本研究采用简化建模方法对齿轮传动机构进行静态仿真分析。基于圣维南原理的局部效应假设，可忽略远离载荷作用区域的次要结构部件对齿轮接触应力分布的影响。因此，在对单自由度扑动机构进行强度校核时，可省略连杆结构，将分析对象简化为三个啮合齿轮组成的传动系统。这种建模简化策略能够有效降低模型复杂度，在保证齿面接触应力、齿根弯曲应力等关键力学参数计算精度的前提下，实现计算资源向齿轮啮合区域网格细化的合理分配。

为评估尼龙材料的使用是否满足齿轮强度要求，基于设计的单自由度扑翼机构建立了有限元分析模型。本研究采用Abaqus/Standard（2020）商业有限元分析软件构建扑翼机构齿轮啮合部分的数值模型，分析过程中考虑了几何非线性效应（基于有限变形理论）。模型参数设置如下：与驱动电机连接的主动齿轮模数为0.3，齿数为9；两个从动齿轮模数均为0.3，齿数均为40。采用C3D8R单元类型对模型进行网格划分，通过应力分析对机构进行强度校核。仿真分析结果显示，扑动机构的最大应力值为166.1Pa，位置位于主动齿轮与电机的连接区域，该应力值显著低于尼龙材料的屈服强度极限，由此可确定所选尼龙材料在强度性能方面满足设计要求，具有可靠的力学承载能力。