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答辩博士：李新

指导教师：郭策  教授/博导

论文题目：长足大竹象翅翼的形态特征、运动学、力学特性及其仿生设计

答辩委员会名单：

答辩秘书：俞志伟  副教授/硕导

答辩时间：2021-1-24 上午9:00

答辩地点：南航明故宫校区12#517

学位论文简介：

本文以长足大竹象为研究对象，通过对其后翅的形态学、折展机理、运动学和静/动力学的研究，表明长足大竹象可作为研制微小扑翼MAV的理想仿生模板。作者首先研究了长足大竹象后翅的结构形态和折展机理，接着建立了翅翼三维模型，通过力学测试获得了材料属性并研究了翅翼的生物力学特性。基于运动试验捕获系统测量了竹象虫拍翅的运动学特性，得到拍翅轨迹和运动方程，在此基础上利用CFD方法对竹象虫的扑翼运动进行数值模拟，获得其气动性能。最后，根据测得的长足大竹象翅翼外形和折叠机理设计了具有较大折叠率的可折叠仿生翅翼，并对其折叠性能进行刚柔耦合动力学分析。在此基础上，以长足大竹象为仿生模板设计扑翼机，对其扑翼过程翼的变形特性进行分析，使用测力平台进行力学性能测试，获得扑翼过程的升力推力特性。本论文工作有利于对长足大竹象飞行机理的认识，并且为研制新型可折叠翼扑翼MAV提供了创新设计理念。

论文主要研究内容和取得的成果如下：

（1）观测长足大竹象后翅微观结构和节肢弹性蛋白的分布规律、探求后翅的折叠机理，为本文的后续研究奠定了基础。研究结果表明竹象虫翅膀的展开是通过折叠过程储存的弹性能释放引起的；长足大竹象后翅的折叠运动靠后翅、鞘翅和腹部尾端之间的相互作用实现。存在于鞘翅内侧、后翅背侧和腹侧以及腹部尾端的尖状微观凸起有助于增大彼此之间的摩擦力进而减少自身的能量损耗。

（2）分析了长足大竹象翅翼的生物力学特性。使用电子万能试验机测试了长足大竹象翅膀的力学性能。结果显示其翅翼是各向异性材料且翼展向的弹性模量小于翼弦向的模量，这与其致密纤维层的展向排列密切相关。此外，研究表明长足大竹象在腹侧和背侧分别施加载荷时表现出翅翼弯曲变形的不对称性，有利于保持其飞行时的气动性能。

（3）对高速摄像的扑翼视频帧处理得到鞘翅和后翅的拍动轨迹和角度变化情况，发现鞘翅和后翅同相，均呈双“8”字模式拍动，这种运动模式和长足大竹象具有优秀的飞行能力密切相关。进一步将扑翼角度的变化数据利用四阶傅里叶系数进行拟合，最终得到了鞘翅和后翅拍动角的欧拉方程。

（4）基于获得的欧拉方程，使用CFD进行数值模拟。结果显示竹象虫扑翼过程中产生周期性变化的垂直力和水平力，产生的平均正升力完全能够克服重力，且下拍过程的垂直力占比高于上拍过程的垂直力，这与前期分析后翅的弯曲不对称现象相一致。此外，鞘翅的拍动也提供了小部分升力和推力，说明鞘翅不仅起到保护后翅和有助于后翅折叠的作用，而且在飞行中也提供一部分气动载荷。

（5）根据长足大竹象后翅的折叠机理提取“六板”等效模型，经过运动分析并计算得到相应张角的空间位置变化，从而确定每块板的扇区角。将“六板”模型转化为杆机构，参考带状弹簧静脉的折叠模式，模仿长足大竹象胸腔中肌肉收缩运动、翅根转动、关节运动以及翅脉的分布规律设计由连杆机构组成的仿生可折叠翼。并通过刚柔耦合动力学仿真分析验证其折叠的可行性。

（6）在上述研究基础上，根据竹象虫后翅的飞行特点，设计新型扑翼MAV，提出扑翼机构原理方案，确定电机型号、以及机构参数和重量。经过扑翼载荷下的动力学仿真分析，证明所设计的扑翼机变形和应力特性合理，符合设计要求。在此基础上，通过样机原型的制作和实验测试，证明本文所设计的仿生扑翼机能够产生合理的升力和推力以及扑翼频率，满足预期设计要求。

主要创新点:

（1）通过高速摄像机、荧光倒置显微镜和扫描电镜技术揭示了长足大竹象翅翼的折展机理。

（2）在对长足大竹象翅翼的展向和弦向结构特性的研究基础上，通过对翅翼的生物力学分析，对翅翼的弯曲变形，提出翅翼的弯曲不对称性，并通过数值模拟证明了这种弯曲不对称性更有利于昆虫的飞行气动性能。

（3）通过实验测试和仿真分析得到长足大竹象拍翅的运动学特性和扑翼的气动特性，并揭示出鞘翅和后翅同步运动过程的气动机理。

（4）根据长足大竹象后翅的折叠机理设计仿生可折叠翅翼并分析其刚柔耦合的动力学特性，进一步基于竹象虫扑翼运动学特性，设计仿生扑翼机并测试了其扑翼性能。