基于FLUENT的仿蝴蝶翼型二维流场分析

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在 - 些 震 后 灾 区 、有 毒 气 体 泄 漏 等 极 端 环 境 下 。以人力 去进行 搜救 或勘察 地形存 在 着种种 困难 ，在 这 种情 况 下 .无 人 飞 行 器 则 是 - 个 很 好 的 选 择 ，它 可 以 不 受地 形 的 影 响 。 然 而 大 部 分 固 定 翼 飞 行 器 或 直 升 机 等的飞 行方 式存在 缺 陷 ，而重量 轻 、能够 自行 转换前 进 方向 、利 用 双 翅 扑 动 只需 很 少 能 量 就 能 完 成 任 务 的 飞 行器 则 有 很 多 优 点 。昆 虫 就 是 自然 界 中优 秀 的 飞 行 者 ，它们利 用非定 常 效应产 生大 升力 ]。

本文根 据凤 蝶双翅 的扑 动产 生翼端 漩 涡与 空气 相互作 用 ，利用 高频摄 像机 进行凤 蝶 自由飞行 的运动 分析 ，并 结合 实际 情况 利用 流体 力学 软件 FLUENT，对 模型翼 进行 流场 分析及 数值 计算 ，完成 了其 数值模 拟 .同时 得 到 了 相 应 的 升 、阻 力 系 数 ，验 证 了 该 计 算 机 实 验 的收稿Et期：2012年 l0月÷ l - ÷ 可 行 性 。

1 凤蝶的尺寸参数及其在高速摄像机下的运动分析1.1 凤 蝶 的 尺 寸 参 数 对 凤 蝶 进 行 三 维 形 状 测 量 。利 用 测 量 工 具 测 得 凤 蝶 大 致 的 尺 寸 参 数 ，如表 1所 示 。

1.2 高 频 摄 像 机 下 蝴蝶 的 运 动 分 析在 高 频 摄 像 机 下 可以观察并 计 算得 到 蝴蝶在 自 由 飞 行 时 ，双 翅 的扑 动 频 率 较 低 约 为 10Hz，拍 动 角 度 较 大 (上 拍从 仿 真 分 析 可 见 . 所 设 计 的 强 化 试 验 台起 到 了 缩短 试 验 周 期 的 目的 。

5 结束语本 文 总 结 分 析 了 常 见 的 可 靠 性 强 化 试 验 方 法 。分析 表 明 ，这 些 方 法 并 不 适 合 本 文 所 要 研 究 的 对 象 ，因 而提 出了系统 可靠 性强化 试验 方法 ，并设 计 了输 弹 机可靠性 强化试 验 台 ，重点 对其 动力 系统进行 了详 细介 绍 。

以 输 弹 链 板 为 对 象 ，以 强 化 试 验 台 为 基 础 ，以 虚 拟 样 机仿 真 为 手 段 ，进 行 -r可 靠 性 强 化 试 验 研 究 ♂ 果 表 明 。

所 设 计 的试 验 台 能 够 实 现 缩 短 试 验 时 间 的 目的 。 为 可靠 性 强 化 试 验 技 术 与 理 论 的 研 究 提 供 了 参 考 。

I回 2013/3[2][3][4][5]表 1蝴蝶尺寸参数身体长度 Lh/ram 38身体直径 O/mm 6翅根长度 H /ram 18单翅展长度L /mm 55单翅面积 S/ram 2 400展弦比A (， ) 1.4翅的平均厚度 T/mm O.4吴艳，易晓山，廖世佳 ，等.模糊控制在可靠性强化试验设备中的应用研究 [J].机 电工程 ，2008，25(3)。

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李舜酩.机械疲劳 与可靠性设计 [M].北京：科学 出版社2006. △(编 辑 丁 罡 )机械制造51卷 第583期：篁 献-参捧约 60。，下拍 约-30。)，由腹 部 的 振 动 来 实 现 对 攻 角 的控 制 (振 动 角 为 -15～20。)。 蝴 蝶 前 、后 翅 在 飞 行 中 - 般 都 是重叠 在 -起 的 ，很少 分开 。因其翅 在 拍动 过程 中没有 明 显 的 翻 转 ，故 扑 翼 自 由度 为 1。

蝴 蝶在 飞行 时翅 翼 的运 动可 分为 两个 分运 动 的合翅 拍 动 角 ， 为 腹 部 振 动 角 。

2 翼型的流场数值计算成 .即沿 轴负 方 向的 平 动 (平 动 速 度 为V)和绕 轴 的上 下扑 动 (扑 动 范 围 为 -30～60。)。 腹 部 的 运动 为 沿 ·Y 轴 的 往 复转 动 (转 动 范 围 为 -15～20。)。 双 翅 拍 动和 腹 部 振 动 示 意 图如 图 1所 示 。西 为 双2.1 翼 型 建 模用 FLUENT 前 处 理 软 件 GAMBIT 建 立 翅 翼 翼 型的二 维模 型 。因蝴蝶 的翅 翼 比较 薄 ，本 文选 用 的是- 种典 型的对 称 翼 型 NACA0006翼 型 ，在 30.0%处 其厚 度为 6.0%。翅翼 流 场 的建模 与 网格划 分 如 图 2所 示 ，对翼 型 周 围 流 场 网 格 进 行 加 密 处 理 l3]。

在 GAMBIT 中 设 定 边 界 条 件 如 下 ：入 口 处 为 速 度入 口边 界 条 件 (Velocity Inlet)，出 口处 为 压 力 出 口边 界 条 件 (Outflow)，翼 型 轮 廓 为 无 滑 移 壁 面 条 件 (Wal1)，流体 域流 体性 质 为 FLUID，来 流速 度为 1 m/s。

2.2 翼 型 的流场 计 算由 于 翅 翼 模 型 运 动 速 度 较 小 ，在 运 动 过 程 中 无 需考 虑产 生 的热 量 ，故 采 用 segregated分 离式求 解 器 。求解 方式 采用 unsteady非 定常 0]，implicit隐式 求解 。湍 流模 型 选 择 标 准 k-s模 型 。

蝴 蝶 在 飞 行 时 运 用 腹 部 的 振动 来 控 制 攻 角 ，对 翼 型 在 -15～20。

攻 角 范 围 下 进 行 数 值 模 拟 ，取 来流 速 度 1 m/s，翼 型 在 不 同 攻 角 下的 升 、阻 力 系 数 如 图 3所 示 。

由图 3可 知 。随 着攻 角 的增加 ，平 均 升 力 系 数 c 增 大 ，当 攻 角增 大 到 大 约 15。左 右 时 ，平 均 升 力系 数 增 加 的 幅 度 开 始 减 小 ； 当 攻角 小 于 0。时 ，平 均 阻 力 系 数 C 减小得 比较缓 慢 ；当攻 角大 于 0。时 ，随 着 攻 角 的 增 大 .平 均 阻 力 系 数 也 随 之 增 大 。

机械制造51卷 第583期不 同攻 角 下 翼 型 绕 流 均 等 速 度 线 分 布 如 图 4所示 。 由 图 4可 以看 出 ，随 着 攻 角 的增 大 ，翼 型 后 缘 逐 渐出现 了后 缘漩 涡 。当攻 角 为 20。时有 轻 微 的翼 面 分离了 ：当 攻 角 大 于 0。时 翼 型 下 表 面 的 流 速 小 于 上 表 面 的流 速 .从 而 下 表 面 的 压 强 大 于 上 表 面 的 压 强 形 成 了 压力 差 ，则 产 生 了 正 升 力 ；当 攻 角 小 于 0。时 ，则 产 生 负 升力 。

3 翅翼拍打运动中的数值模拟利 用 UDF模 块 的 动 网 格 技 术 ，对 翅 翼 的 上 下 拍 动过 程 进行 数 值分 析 。翅 翼模 型沿 轴 平动 ，绕 轴 转动 。翅 翼 的 上 下 拍 动 为 正 弦 运 动 ，运 动 方 程 为 ：)争 sin(2wja) ，(0≤ 1)(1)式 中 ：t为 时 间 ； (t)为 随时 间 的拍 动 角 i厂为拍 动频 率 。

仿 蝴 蝶 翅 翼 左 右 对 称 ，在 计 算 过 程 中选 择 左 翼 建模 。翅翼 模 型按照 振 幅 A0.25叮T，频率 10 Hz作 上下拍 动 。 上 拍 最 高 点 为 60。， 下 拍 最 低 点 为 -30。。 在GAMBIT中建模 并 生成 网格 .计 算域 采 用 10倍 翅展 长度 的 正 方 体 ，网 格 采 用 三 角 形 非 结 构 网 格 。

对 升 力 系 数 进 行 监 测 ，拍 动 频 率 为 10Hz，时 间 步长设 为 0.001s(若 时 间步长 设 置过 大 ，则会 出现 负 体积情况 ，导致 计 算停 止 ，出现错 误 )，计算 200个 时间 步长得 到升力 系 数 的变化 曲线 ，如 图 5所 示 。

由 升 力 系 数 变 化 曲 线 可 知 ，翅 翼 在 下 拍 过 程 中 产生 正 升 力 .在 上 拍 过 程 中产 生 负 升 力 。

翅翼 在 下拍 过程 中与 上拍 过程 中周 围 的压力 等值线 图分 布及 流场 速度 等值 线 图分 布如 图 6、图 7所示 。

由 图 6(a)可 以 看 出 ，当 翅 翼 在 下 拍 过 程 中 ，翅 翼 下 表 面 的 压 力 大 于 翅 翼 上 表 面 的 压 力 ， 由这 种 压 力 差产 生 了 翅 翼 的 升 力 ，并 且 有 前 缘 涡 和 翼 端 涡 产 生 ；由 图6(b)可 以 看 出 ，翅 翼 上 表 面 的 流 场 速 度 大 于 翅 翼 下 表2013/3圃l卧式加工中心换刀机械手的动态特性分析口 罗生梅 ， 口 牛朝阳1.兰州理工大学 数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室 兰州 7300502.兰州理工大学 机 电工 程学 院 兰州 730050摘 要：对 QYJ-21加工中心换37装置存在的不稳定因素进行分析研究；利用有限元软件进行仿真分析，求解机械手机构的模态特性，得到机械手机构的前六阶固有频率及其对应的振型图。依据仿真结果，找到机械手机构的薄弱环节，为机械 手的改进设计 奠定基础 。

关键 词 ：机械手机构 有限元分析 动态分析中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1000-4998(2013)03-0021-03加 工 中 心 自动 换 刀 装 置 (Automatic Tool Changer，ATC)主要 由机 械 手 、刀库 等 组 成 ，其 作 用 是 将 主 轴 上的工 作刀 具 与刀 库 中的待 用 刀具进 行 交换 。对 于加 工中心 的机 械 手而 言 ，应 具 有 换 刀 时 间短 、工 作 平稳 、定位 准 确 的 特 点 。

加工 中心 自动换 刀装 置换 刀 的可 靠性 ，也 是 ATC系 统 先 进 与 否 的 - 个 重 要 标 志 .随 着 我 国 制 造 业 的 飞速 发 展 .与之 息息 相关 的精密 制造 装备 也 向着 高 速度 、高精 度 、高效 能 、高柔 性 、自动 化 的方 向发 展 ，在保 证 使其 具 有 良好性 能 的 同时 。还要 有很 高 的 可靠 性 。换 刀时 ，执 行 的 动 作 多 、速 度 快 、对 定 位 准 确 性 要 求 高 ，尤 其 在复 杂零 件加 工 过程 中 ，需要 频繁 交换 刀 具 ，这 就使 换刀 系统 的 稳定 性 成 为加 工 中心 可 靠 性 的薄 弱 环 节 。

本文 以 QYJ-21型加 工 中心 自动 换 刀机 械 手 为研 究 对象 ，建 立 换刀 机 械手 组合 体 的动力 学模 型 ，分 析换 刀 装置 的动 态性 能 ，找 出其薄 弱环 节 。自动换 刀装 置 中机 械收稿 日期：2012年 1O月手 部 分 简 图 如 图 1所 示 。

日本流体力学会数值 流体力学部朗 Web会 ，2005，12(3)：1 13-122。

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