Dimensional optimization of single-DOF planar rigid link-flapping mechanisms for high lift and low power

要約

剛性リンクの羽ばたきメカニズムは、長期的な耐久性と信頼性のために、便利なペイロードと自由飛行用のオンボードバッテリーを運ぶために、翼のミクロエリアル車両（MAV）を羽ばたくために最も実用的な選択肢です。
ただし、これらのメカニズムを備えた高敏ility性と操縦性のような昆虫のような昆虫を達成するには、大幅な減量が必要です。
1つのアプローチには、単一の平面剛体リンケージを使用することが含まれます。これは、より小さなモーターとバッテリーを使用できるように、高リフトと低電力のために寸法的に最適化されることはめったにありません。
最適化ルーチン内で、不安定な渦格子法に基づいた空力分析ツールを備えた、準定型の非線形有限要素法に基づいたメカニズムシミュレーターを統合しました。
文献から3つの異なるメカニズムトポロジーを最適化しました。
その結果、最適化された非対称掃引速度プロファイルに起因する振幅の増加とより高いリフト係数のために、場合によっては最大42％の大幅な節約が観察されました。
また、信頼できるメカニズムのパフォーマンスを確保するために、製造耐性が高いことを明らかにする不確実性分析も実施しました。
提示された統合計算ツールは、ペイロードと飛行時間の要件に基づいてMAVコンポーネントの最適な選択を促進します。

要約(オリジナル)

Rigid link flapping mechanisms remain the most practical choice for flapping wing micro-aerial vehicles (MAVs) to carry useful payloads and onboard batteries for free flight due to their long-term durability and reliability. However, to achieve high agility and maneuverability-like insects-MAVs with these mechanisms require significant weight reduction. One approach involves using single-DOF planar rigid linkages, which are rarely optimized dimensionally for high lift and low power so that smaller motors and batteries could be used. We integrated a mechanism simulator based on a quasistatic nonlinear finite element method with an unsteady vortex lattice method-based aerodynamic analysis tool within an optimization routine. We optimized three different mechanism topologies from the literature. As a result, significant power savings were observed up to 42% in some cases, due to increased amplitude and higher lift coefficients resulting from optimized asymmetric sweeping velocity profiles. We also conducted an uncertainty analysis that revealed the need for high manufacturing tolerances to ensure reliable mechanism performance. The presented unified computational tool also facilitates the optimal selection of MAV components based on the payload and flight time requirements.

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