MAV「Micro Air Vehicle 微型飞行器」因其具有侦察、电子干扰、搜救、生化探测等功能备受关注。受昆虫和鸟类极高机动性的启发,研究人员越发重视对微型扑翼飞行器的设计研究。微型飞行器扑翼的轻便结构设计和精确运动参数调节是飞行器长时间稳定执行飞行指令的重要保障,因此对扑翼进行运动学研究和结构变形测量非常重要。


扑翼飞行器运用的是一种表征小而灵活的翅膀振动技术。这些机翼的材料构造不均匀,由膜皮和碳纤维复合材料结合而成。机翼的设计非常轻薄且灵活,非接触式全场测量就体现出优势。数字图像相关(DIC)是十分成熟的非接触式立体图像测量技术,通过对被测物变形前后随机散斑图像的匹配计算,获得物体表面位移和应变分布

▲ 机翼的构造


机翼刚性结构和弹性结构在扑动过程中会呈现出不同特性,因此要求 DIC 测试实验必须完整捕捉扑翼运动全过程。对此 DIC 装置必须满足 180° 测试视野要求。


▲ 扑动过程中机翼结构的变换




试验方案选择


DIC 测试方案1:高速相机捕捉扑翼振动特性

——可直接对数据进行位移、变形分析,得到扑翼过程连续数据。可直接对扑翼结构进行振动分析,得到工作模态ODS,以及固有频率振型。


DIC 测试方案2:低速相机+ VIC-3D 全场疲劳模块

——通过相位同步技术,借助频闪仪可精确捕捉扑翼振动过程完整周期实验数据,精确还原周期扑翼变形和位移数据;精确记录实验扑翼运行周期和峰值下变形特性;低速相机分辨率高,可对局部重点区域进行更为准确计算;实现扑翼 180° 测量范围,测试成本低。


根据试验环境需求采用第2种测试方案更佳。




试验环境


为区分在每个节拍周期内的空气动力学和惯性影响以及每种情况引起的结构变形,需在静态空气和真空环境中分别进行测试。因此,构建了真空室。试验安置了四个 DIC 相机,分为两组。这样的设置能够捕获高达 180° 拍击幅度的单个机翼的刚性位移和结构变形。每组相机都可捕获机翼在 90° 扫描角中移动的图像。相机的分辨率为 1624 * 1224 像素,可采集到机翼表面非常精细的散斑图案,以获得更好的图像相关性。在这样的分辨率下,DIC相机以每秒15帧的速度进行拍摄。DIC围绕拍打运动平面对称放置,一组相机捕获拍击中平面上方的画面,另一组捕获拍击中平面以下的画面。完整的实验装置如下图所示,包括拍击机构/机翼,采集系统,闪光灯和真空罩。


▲ 试验装置图




试验难点


1:真空罩下,因光学折射造成数字图像光学畸变——VIC-3D 系统光学畸变校正技术和光线平抑算法以及特有的可变原点校正技术,有效解决光线畸变问题;

2:  扑翼 180° 范围全方位测量——VIC-3D 多系统拼接可实现在同一坐标系下完整分析机翼扑动位移、应变数据;

3:机翼扑动需要极短曝光时间——VIC-3D 全场疲劳模块配置高性能频闪仪有效解决曝光时间问题。




试验结果


本次实验是在 5Hz 的拍击频率和 90° 拍击振幅下获得所有的结果。离面位移(w/c,其中 c 是机翼的根弦)沿着机翼在拍击行程内的各个位置处轮廓化。对于下冲和上冲,它的变形与沿z/c 方向测得的变形相同。下面两幅图显示的是机翼分别在空气和真空中测得的结构变形图。


▲ 在空气中机翼的结构变形图


首先要注意的是,在所有情况下,弹性变形都比较大:在某些地方,根部弦达到了18%。对于在空气中进行试验的机翼(见上图),由于空气载荷的抑制作用,弹性表面通常落后于虚构的刚性机翼。每个冲程的顶部和底部都受到机翼翼展方向的实质性弯曲,从而增加了机翼尖端所经过的最大和最小位置。在中平面,弹性翼在尾缘处出现较大的变形。在中平面和峰值(最小)拍角之间的行程位置,结构变形可以忽略不计。



▲ 在真空中机翼的结构变形图


真空状态下试验的结果略有不同。尽管行程平面顶部和底部的翼展方向弯曲与空气中的弯曲非常相似(因为此处的作用力本质上主要是惯性的),但中平面几乎没有结构变形。如上所述,柔韧性可能是产生推力所必需的。


VIC-3D 全场疲劳模块,有效解决 180° 扑翼过程中的完整周期数据采集,精确记录扑翼复杂运动,并对不同扑翼结构设计,刚体扑翼和柔性体扑翼的变形特性进行分析,为刚性翼和弹性翼耦合设计提供可靠运动学和变形实验数据。挑战了 VIC-3D 系统的测量极限,解决了捕捉被测物体的快速运动、记录较大的焦平面位移、重建扑动运动、准确描述机翼变形等问题。


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VIC-3D 全场疲劳模块助力微型扑翼飞行器

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