蜻蜓翅膀的结构


项目概述

    本文所呈现的工作是Maria Mingallon（奥雅纳，高级结构工程师）和Sakthivel Ramaswamy（KRR工程，总监）合著的一篇技术论文的一部分，该论文发表于2011年的美国机械工程师学会（ASME）会议并进行了展示。该论文概述了建筑联盟（AA）作为新兴技术与设计硕士项目的一部分所进行的更广泛仿生学研究的主要发现。研究旨在推导出蜻蜓翅膀的适应性和性能逻辑。为了理解赋予翅膀独特结构行为的多模式和波纹几何形状，以及这些形状对蜻蜓被动飞行高性能的贡献，有必要进行几何结构分析（GSA）中的数字模拟。


    蜻蜓翅膀的形态是一种通过复杂图案化过程构建而成的最优自然结构，它是蜻蜓在进化过程中为应对力流和材料组织而发展出来的。四边形和多边形图案看似随机的变化遵循着多层次的组织逻辑，使其能够在刚性和柔性配置之间切换。

本项目中使用的软件

Oasys如何证明其价值不可估量
        由于蜻蜓的翅膀是一个高度动态的结构，因此有必要进行振动研究，以获得真实的变形模式并了解其结构行为。在GSA（全球表面分析）中进行的模态分析中，我们提取了十种振动模式。由于所展现的频率较高，我们的眼睛很难区分第三、第四和第五种振动模式（它们几乎同时发生）。在我们的研究中，通过慢动作图片展示了蜻蜓的真实飞行，通过与计算分析中的结果进行比较，我们能够识别出多达第三种振动模式。
       由此产生的图像展示了机翼的不同振动模式，阐明了之前所述的几何图案与不同柔韧度之间的相关性。机翼最上部区域的矩形图案设计用于承受飞行时机翼前缘所受的垂直载荷，而波纹则有助于抵抗垂直于机翼平面的载荷。
      在不同的模态中都可以观察到后缘处的扭转波；这是因为靠近机翼尖端的元件倾向于先于靠近基部的元件扭曲。位于前缘的结节既充当机翼的加强件又充当减震器。节点应对刚性凹前节点和扭转顺应节点后翼梁交界处的扭转和弯曲应力集中。应力和弯矩的集中必定在结节的形成过程中施加了强大的选择压力，结节将软角质层的应力吸收带与横跨肋缘和前缘之间的整个翼梁的坚固的三维横杆结合在一起。
       变形的模态形状表明五边形-六边形图案被设计为变形，从而提供使蜻蜓保持在空中所需的推力。这些几何形状中存在的 120° 角允许多边形从单个平面重新组织以形成凹面，所使用的能量比矩形图案少得多。