تعیین بهینه پارامتر انعطاف پذیری بال برای محاسبه نیروهای آیرودینامیکی وارد بر یک پرنده بال ‌زن بر پایه الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران

چکیده

هدف این پژوهش، ارائه مدل ‌های تحلیلی کارآمد برای محاسبه نیروهای آیرودینامیکی وارد بر بال ‌ها و دُم یک ربات پرنده بال‌ زن می ‌باشد. برای دستیابی به این هدف، ابتدا مدل آیرودینامیکی بال ‌ها برپایه تئوری نوارهای موازی و در نظر گرفتن اثرات انعطاف ‌پذیری بال ‌ها ارائه می‌ شود. سپس، مدل آیرودینامیکی دُم با در نظر گرفتن اثرات اختلاف فشار روی سطوح دُم، گردابه ‌های لبه ‌ای و اصطکاک هوا معرفی می ‌شود. سپس، پارامتر بهینه انعطاف‌ پذیری بال ‌ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک تعیین می‌ گردد. سرانجام، به منظور صحت سنجی، نتایج حاصل از مدل‌ های پیشنهادی با مدل‌ های ارائه شده در مطالعات گذشته و داده‌ های آزمایشگاهی مقایسه می ‌گردد. نتایج شبیه ‌سازی نشان می‌ دهد نیروهای آیرودینامیکی محاسبه شده توسط راهکارهای پیشنهادی در قیاس با مدل‌ های قبلی به داده‌ های آزمایشگاهی نزدیک ‌تر است.

کلیدواژه‌ها


[1] Jones, R.T., "The Unsteady Lift of a Wing of Finite Aspect Ratio", Report, NACA-TR-681, (1940).
 
[2] Ellington, C.P., "The Aerodynamics of Hovering Insect Flight. III Kinematics", Philosophical Transactions of the Royal Society B, Vol. 305, Issue. 1122, pp. 41-78, DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.1984.0051, (1984).
 
[3] DeLaurier, J.D., "An Aerodynamic Model for Flapping Wing Flight", The Aeronautical Journal, Vol. 97, No. 964, pp. 125-130, DOI: https://doi.org/10.1017/S0001924000026002, (1993).
 
[4] Ansari, S.A., Żbikowski, R., and Knowles, K., "Aerodynamic Modelling of Insect-like Flapping Flight for Micro Air Vehicles", Progress in Aerospace Sciences, Vol. 42, No. 2, pp. 129-172, DOI: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2006.07.001, (2006).
 
[5] Zakaria, M.Y., Elshabka, A.M., Bayoumy, A.M., and Abdelhamid, O.E., "Numerical Aerodynamic Characteristics of Flapping Wings", 13th International Conference on Aerospace Sciences and Aviation Technology, May 26-28, Cairo, Egypt, DOI: https://doi.org/10.21608/ASAT.2009.23734, (2009).
 
[6] Djojodihardjo, H., Ramli, A.S.S., and Wiriadidjaja, S., "Kinematic and Aerodynamic Modelling of Flapping Wing Ornithopter", Proceeding Engineering, Vol. 50, No. 9, pp. 848-863, DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.10.093, (2012).
 
[7] Caetano, J.V., De Visser, C.C., De Croon, G.C.H.E., Remes, B., De Wagter, C., Verboom, J., and Mulder, M., "Linear Aerodynamic Model Identification of a Flapping Wing MAV Based on Flight Test Data", International Journal of Micro Air Vehicle, Vol. 5, No. 4, pp. 273-286, DOI: https://doi.org/10.1260/1756-8293.5.4.273, (2013).
 
[8] Lee, Y.J., Lua, K.B., Lim, T.T., and Yeo, K.S., "A Quasi-steady Aerodynamic Model for Flapping Flight with Improved Adaptability", Bioinspiration and Biomimetics, Vol. 11. No. 3, pp. 1-27, DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3190/11/3/036005, (2016).
 
[9] Shyy, W., Aono, H., Chimakurthi, S.H., Trizila, P., Kang, C.K., Cesnik, C.E.S., and Liu, H., "Recent Progress in Flapping Wing Aerodynamics and Aeroelasticity", Progress in Aerospace Sciences, Vol. 46, No. 7, pp. 284-327, DOI: https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2010.01.001, (2010).
[10] Han, J.S., Chang, J.W., and Han, J.H., "An Aerodynamic Model for Insect Flapping Wings in Forward Flight", Bioinspiration and Biomimetics, Vol. 12. No. 3, pp. 1-16, DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3190/aa640d, (2017).
 
[11] Djojodihardjo, H., and Alif, S.S.R., "An Assessment of a Linear Arodynamic Modeling of a Generic Flapping Wing Ornithopter", International Journal of Astronautics and Aeronautical Engineering, Vol. 3. No. 2, pp. 1-24, DOI: https://doi.org/10.35840/2631-5009/7517, (2018).
 
[12] Bakhtiari, A., Etemadi Haghighi, S., and Maghsoudpour, A., "Experimental and Analytical Analysis of Aerodynamic Lift of an Ornithopter at Low and High Angles of Attack", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, Vol. 233, No. 6, pp. 2023-2031, DOI: https://doi.org/10.1177/0954410018771175, (2019).
 
[13] Karimian, S., and Jahanbin, Z., "Bond Graph Modeling of a Typical Flapping Wing Micro-air-vehicle with the Elastic Articulated Wings", Meccanica, Vol. 55, pp. 1263-1294, DOI: https://doi.org/10.1007/s11012-020-01162-w, (2020).
 
[14] Choi, J.W., Gong, D.H., Lee, J., Kim, C., and Shin, S.J., "Simulation of the Flapping Wing Aerial Vehicle using Flexible Multibody Dynamics", International Journal of Micro Air Vehicles, Vol. 13, DOI: https://doi.org/10.1177/17568293211043305, (2021).
 
[15] Chen, L., Yang, F.L., and Wang, Y.Q., "Analysis of Nonlinear Aerodynamic Performance and Passive Deformation of a Flexible Flapping Wing in Hover Flight", Journal of Fluids and Structures, Vol. 108, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2021.103458, (2022).
 
[16] Ruiz, C., Acosta, J.A., and Ollero, A., "Aerodynamic Reduced-order Volterra Model of an Ornithopter under High-amplitude Flapping", Aerospace Science and Technology, Vol. 121, Article ID. 107331,  DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107331, (2022).
 
[17] Smith, J.M., "The Importance of the Nervous System in the Evolution of Animal Flight", Evolution, Vol. 6, No. 1, pp. 127-129, DOI: https://doi.org/10.2307/2405510, (1952).
 
[18] Tucker, V.A., and Heine, C., "Aerodynamic of Gliding Flight in a Harris’ Hawk, Parabuteo Unicinctus", Journal of Experimental Biology, Vol. 149, No. 1, pp. 469-489, DOI: https://doi.org/10.1242/jeb.149.1.469, (1990).
 
[19] Taylor, G.K., Nudds, R.L., and Thomas, A.L.R., "Flying and Swimming Animals Cruise a Strouhal Number Tuned for High Power Efficiency", Nature, Vol. 425, No. 9659, pp. 707-711, DOI: https://doi.org/10.1038/nature02000, (2003).
 
[20] Thomas, A.L.R., "On the Aerodynamics of Birds’ Tail", Philosophical Transactions of the Royal Society B, Vol. 340, No. 1294, pp. 361-380, DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.1993.0079, (1993).
 
[21] Bakhtiari, A., Etemadi Haghighi, S., and Maghsoudpour, A., "Modelling and Control of a Flapping Wing Robot", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics, Vol. 233, No. 1, pp. 174-181, DOI: https://doi.org/10.1177/1464419318793503, (2018).
 
[22] Abedzadeh Maafi, R., Etemadi Haghighi, S., and Mahmoodabadi, M.J., "Pareto Optimal Design of a Fuzzy Adaptive Hierarchical Sliding-mode Controller for an X-Z Inverted Pendulum System", IETE Journal of Research, Published Online, pp. 1-18, DOI: https://doi.org/10.1080/03772063.2021.1910578, (2021).
 
[23] Mahmoodabadi, M.J., Taherkhorsandi, M., Abedzadeh Maafi, R., and Castillo-Villar, K.K., "A Novel Multi-objective Optimisation Algorithm: Artificial Bee Colony in Conjunction with Bacterial Foraging", Vol. 3, No. 4, pp. 369-386, DOI: https://doi.org/10.1504/IJIEI.2015.073088, (2015).
 
[24] Holland, J.H., "Genetic Algorithms", Scientific American, Vol. 267, No. 1, pp. 66-73, DOI: https://www.jstor.org/stable/24939139, (1992).
 
[25] Polhamus, E.C., "Prediction of Vortex Lift Characteristics by a Leading-edge Suction Analogy", Journal of Aircraft, Vol. 8, No. 4, pp. 193-199, DOI: https://doi.org/10.2514/3.44254, (1971).
 
[26] Gopalakrishnan, P., and Tafti, D.K., "Effect of Wing Flexibility on Lift and Thrust Production in Flapping Flight", Journal of Aerospace Information Systems, Vol. 48, No. 5, pp. 865–877, DOI: https://doi.org/10.2514/1.39957, (2010).
 
[27] Kang, C.K., and Shyy, W., "Passive Wing Rotation in Flexible Flapping Wing", 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference, June 25-28, New Orleans, Louisiana, USA, DOI: https://doi.org/10.2514/6.2012-2763, (2012).