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本研究由Xue Dong（哈尔滨工业大学深圳校区机械工程与自动化学院）、Song Bifeng、Song Wenping、Yang Wenqing（西北工业大学航空学院）、Xu Wenfu（哈尔滨工业大学深圳校区机械工程与自动化学院）和Wu Tao（西北工业大学航空学院）共同完成。该研究发表于《Aerospace Science and Technology》期刊，于2019年10月25日在线发布。
本研究的主要科学领域是仿生微型飞行器（Flapping Wing Micro Air Vehicles, FWMAVs）的空气动力学与结构动力学耦合分析。随着FWMAVs从昆虫尺寸向鸟类尺寸发展，翼身质量比增加，拍翼频率降低，机身振动问题变得显著，影响了飞行性能。传统的分析方法忽略了翼身耦合振动的影响，导致气动性能分析不准确。因此，本研究旨在开发一种三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）与计算结构动力学（Computational Structural Dynamics, CSD）耦合的方法，结合柔性多体动力学（Flexible Multi-Body Dynamics, FMBD），以更准确地模拟FWMAVs在飞行中的机身振动及其对气动性能的影响。
研究对象与模型建立
研究对象为仿生FWMAV“Dove”，其具有两翼、一垂直尾翼和一水平尾翼。研究首先定义了惯性坐标系、机身坐标系和翼坐标系，并建立了“Dove”的几何模型和运动学模型。拍翼运动被简化为绕x轴的旋转，拍翼幅度由方程ϕ = 33° cos(2πft)描述。
气动计算方法
通过求解三维非定常Navier-Stokes方程，计算拍翼的非定常气动力。水平尾翼的气动力则采用稳态方法计算。机身的阻力系数参考Pennycuick的方法，设定为0.05。研究采用自主研发的CFD求解器PMNS3D进行气动计算。
结构动力学方法
拍翼由单向碳纤维骨架和聚酯薄膜蒙皮组成，采用有限元方法进行结构建模。骨架的几何和弹性参数通过实验获得。研究采用Hilber-Hughes-Taylor方法进行时间积分，确保计算的稳定性。
CFD/FMBD耦合方法
研究提出了一种松耦合方法，将柔性多体系统分解为机身和两个柔性拍翼的单体系统。通过迭代求解气动力、结构变形和机身运动方程，最终实现CFD、CSD与多体动力学的耦合模拟。
配平算法
开发了一种配平算法，满足结构变形收敛、机身振动周期性条件和力与力矩平衡条件。配平过程包括三个迭代步骤：结构变形收敛、机身周期性运动收敛和力与力矩平衡。
验证与自由飞行测试
通过对比CFD/CSD方法的计算结果与实验数据，验证了方法的准确性。进一步通过“Dove”的自由飞行测试，收集了机身振动数据，验证了CFD/FMBD方法在模拟机身振动中的适用性。
不同起飞质量对机身振动的影响
研究了不同起飞质量对机身振动的影响，发现适当的翼身质量比可以有效抑制振动加速度，保护精密传感器和设备。
结构变形与气动力分布
研究结果表明，拍翼在拍动过程中表现出显著的变形，最大变形出现在拍翼中段。机身振动主要增加了气动阻力，而对升力的影响较小。
配平条件的变化
当考虑机身振动时，配平条件与忽略振动时显著不同。配平后的拍翼频率增加，攻角减小，以满足新的力与力矩平衡。
自由飞行验证
自由飞行测试结果显示，CFD/FMBD方法计算的机身振动幅度与实验数据吻合良好，相对误差在10%以内，验证了方法的准确性。
起飞质量对振动的影响
研究发现，随着起飞质量的增加，配平所需的拍翼频率增加，振动幅度也相应增加。适当的翼身质量比可以显著降低振动加速度，保护设备。
本研究开发了一种基于CFD/FMBD耦合的FWMAVs自由飞行模拟器，能够准确模拟机身振动及其对气动性能的影响。研究结果表明，机身振动显著影响FWMAVs的配平条件，增加气动阻力，并需要更高的拍翼频率和更小的攻角来维持平衡。此外，适当的翼身质量比可以有效抑制振动加速度，为FWMAVs的设计提供了重要参考。
方法创新
本研究首次将三维CFD与CSD结合，引入FMBD，开发了一种新的FWMAVs自由飞行模拟器，显著提高了模拟精度。
实验验证
通过自由飞行测试验证了CFD/FMBD方法的准确性，为后续研究提供了可靠的实验数据支持。
应用价值
研究结果为FWMAVs的设计优化提供了重要依据，特别是对机身振动控制和传感器保护具有实际应用价值。
本研究还探讨了不同起飞质量对机身振动的影响，为FWMAVs的任务适应性设计提供了新的思路。未来的研究可以进一步优化翼身质量比和结构模态，以更好地抑制振动。