T800碳纤维复合材料在扑翼中的结构设计与力学性能研究（下）

3扑翼原型机制备

3.1扑翼外形设计

基于上述有限元分析结果，对翼膜和翅脉进行改进设计。针对机翼的轻量化设计，首先根据气动性能设计翼型，刚性前缘由碳纤维杆组成，柔性翼面由聚酯薄膜构成。机翼后缘固定在机身上，确保翼面柔性材料在机翼扑动过程中能够发生显著变形，在一定程度上实现机翼的扭转运动，使原型机获得更优的气动性能。基于“翼膜+翅脉”的机翼设计方案，采用碳纤维杆将整个翼膜包裹其中以增强刚性，所设计的机构与扑动机构连接，通过该方案可提高机翼刚度。

为更精确地模仿自然生物翅膀的形态和功能特征，本文提出一种基于“翼膜-翅脉”复合结构的仿生翼型设计方案。在翼面材料选择上，采用厚度为0.0125mm的聚酯薄膜作为主要承载面，超薄聚酯薄膜不仅能提供一定的强度，还能最大限度地降低机翼自身重量。为提升翼型机构的气动性能，采用直径1mm的碳纤维增强复合材料在机翼前缘和翼根处对翼面进行支撑，通过套筒式非固定连接方式保证扑动过程中的被动俯仰运动，该设计有效模拟了自然翅膀在扑动过程中的自适应变形特性。

本研究对机翼结构进行了模态分析，建模过程中将机翼几何形状简化为椭圆形翼面结构，设计了三种不同的机翼结构。采用T800碳纤维杆模拟翅脉结构，其材料参数为：密度1.8g/cm³，弹性模量300GPa，泊松比0.3；采用PET薄膜材料模拟翼膜结构，其材料参数为：密度1.323g/cm³，弹性模量28GPa，泊松比0.3。有限元建模过程中，选用壳单元进行离散化处理，无需施加额外约束条件。

由分析结果可知，两侧固定约束的椭圆形机翼前六阶固有频率分别为0.11386Hz、0.26436Hz、0.40122Hz、0.48529Hz、0.69106Hz和0.77702Hz。椭圆形机翼前六阶振型仿真结果显示，振动均发生在椭圆形机翼的后缘，由于后缘无翅脉支撑，弯曲刚度极低，该区域易引发振动。

模仿昆虫翅膀的翼膜-翅脉结构，在模型中引入T800碳纤维杆作为翅脉材料以增强刚性。优化后结构的前六阶固有频率显著提高，分别为1.1551Hz、1.3692Hz、1.5081Hz、1.7587Hz、2.1190Hz和2.2870Hz。模态分析表明，尽管振动仍主要发生在机翼后缘，但振动区域显著减小，说明翅脉的引入有效增强了局部刚度，抑制了结构的整体振动响应。

将椭圆形机翼周围整个区域固定后，前六阶固有频率提高至0.40086Hz、0.67604Hz、0.89124Hz、1.0339Hz、1.2965Hz和1.4711Hz，振动集中区域转移至机翼中部，原因是该区域未设置翅脉支撑，结构刚度相对较低，成为振动主导模态的敏感区域。

研究表明，翅脉材料的引入可显著增强结构的整体刚度，进而大幅提高固有频率；在扑翼结构中，低刚度区域（如无翅脉支撑的后缘或中部）由于抗弯曲能力较弱，更易形成振动集中区域；通过优化高刚度材料（如翅脉）的空间布局，可实现振动模态的有效调控，从而降低振动幅度及其影响范围。

3.2扑翼材料选择

柔性扑翼飞行器的机翼材料通常包括两类：用于增强刚度的翼肋和轻质翼膜。这些材料的选择需在满足力学和气动性能要求的前提下，实现结构轻量化和功能协同。机翼作为活动部件，其质量直接影响转动惯量大小，对于运动部件，应减轻其重量以降低运动惯性，密度是首要考虑的因素。除驱动电源、电路板、线圈等部件外，机身框架是零件数量最多且重量占比最大的部件。翼肋主要起结构支撑作用，必须具备高比强度和比刚度，才能在保持刚性的同时有效减轻重量，从而降低飞行过程中机翼的转动惯性，提高机动性。因此，为确保整个扑翼装置质量尽可能小，所选框架材料的密度也应尽可能低；为提高机翼刚度，需引入翅脉结构，该结构需具备一定的强度并能承受变形，选用密度较低的材料制造翅脉部件可实现更小的机翼质量。

T800碳纤维复合材料具有低密度（1.6g/cm³）、极高的抗拉强度和刚性，能够显著降低结构重量，同时增强机翼和结构框架的抗变形能力与耐久性，进而提高飞行器的结构稳定性。此外，T800材料具有良好的可设计性，通过调整纤维排列方式可进一步优化其性能。凭借优异的力学性能和轻量化特性，T800碳纤维复合材料非常适合应用于对性能和重量有较高要求的微型飞行器（MAVs）设计中。因此，本文选用T800碳纤维复合材料作为机翼框架材料，以满足结构强度和轻量化要求，综合考虑后，选取直径1mm的T800碳纤维作为机翼框架结构。

在本项目的结构设计中，翼膜与翼肋粘接，直接参与气动载荷的传递，翼膜材料必须具备良好的柔韧性和气密性，以承受扑动运动的周期性大变形并保持升力输出的稳定性。为确保整体结构在复杂条件下长期可靠运行，翼膜材料的选择应满足以下要求：一是低密度，以减轻翼面质量并优化动态响应；二是优异的粘接性，以增强膜材料与框架的连接稳定性；三是良好的柔韧性，以适应飞行过程中的弹性变形；四是形状保持能力，为更贴近昆虫翅膀的形态，翼面应尽可能接近仿生形状，因此翼膜材料制成后不应易变形，以保持预期的气动外形。这些性能要求共同构成了柔性翼材料选择的设计依据。

设计扑翼飞行器时，主要选取PET薄膜材料、聚酰亚胺薄膜材料和无纺布风筝布进行实验对比，旨在选择性能优良且重量轻的翼膜材料。PET薄膜表面能较低，具有疏水性和化学惰性，其表面弱路易斯酸碱特性意味着与其他材料（如胶粘剂、复合层）之间的界面相互作用力相对较小；聚酰亚胺薄膜表面能较高，有利于材料间的粘接和界面结合，当微型扑翼与胶粘剂或复合材料复合时，聚酰亚胺薄膜表面的路易斯酸碱特性有利于形成稳定的界面层；风筝布薄膜作为涂层或复合材料，表面相对粗糙。这些差异对翼膜的力学性能和界面行为具有显著影响，因此选取这三种材料进行翼膜设计，探究不同性能材料对扑动机构力学性能的影响。

3.3扑动机构打印

本文设计的单自由度扑动机构采用DLP光固化成型技术打印，所使用的3D打印机为RayshapeP400（Raise3D，中国上海），其投影分辨率高达3840×2160像素，打印速度为每小时15毫米。选用树脂材料进行打印，将打印好的单自由度部件进行组装，组装完成后，用胶水将预先切割好的翼膜材料粘接在扑动机构的连杆表面，用于实验测试的扑动机构原型如下所示。

4结论

为探究T800复合材料和不同翼膜材料对扑动机构力学性能的影响，本文设计了一种单自由度扑动机构，基于T800碳纤维杆在翼膜表面的不同分布方式，开发了三种机翼结构，结合三种不同的翼膜材料进行力学性能对比实验，得出以下结论：

• 在翼膜特定区域引入T800碳纤维复合材料设计的仿生“翼膜-翅脉”结构，有效增强了局部结构刚度，抑制了结构振动，从而提高了扑翼飞行的稳定性。

• 在低电压驱动条件下，半包裹结构尽管刚度较低，但升力性能优于另外两种结构，展现出良好的轻量化与升力平衡，具有一定的工程应用潜力。

• 相同构型下，采用PET膜材料的翼面升力性能显著优于聚酰亚胺膜和风筝布材料。

三种翼膜材料的力学性能数据表明，在工程实践中可采用人工翼膜-翅脉结构与轻质高性能翼膜材料相结合的方案，以提升微型扑翼飞行器的气动性能和结构可靠性。