Fluid-Structure Interaction Analysis of Anisotropic Cambered Wing of Flapping-Wing Micro Air Vehicles

Abstract

Flapping-wing micro air vehicle (FW-MAV) mimics birds or insects and has received considerable attention due to its agility and hovering abilities, making it an ideal micro unmanned aerial vehicle for the next generation. Flight and aerodynamic performance of FW-MAVs is largely determined by their flexible wings. Hence, the purpose of this study is to develop a fluid-structure interaction analysis framework that can accurately analyze anisotropic flexible wings composed of various materials and complex shapes by simulating them realistically. In addition, a strategy for designing flexible wings to improve the aerodynamic performance of flapping aircraft is presented based on the analysis of various aeroelastic design parameters. An analysis program for fluid-structure interaction of cambered wings is developed that can simulate the fluid and structural characteristics of cambered wings realistically. FW-MAV's cambered wing is composed of thick veins and thin membranes of different materials, which are installed in a form with a camber angle to maximize flexibility. As the wing shows large deformations and displacements, numerical methods that are capable of accurately simulating fluid-structure phenomena are applied. As part of the development process, flow analysis, structural analysis, coupling analysis, data transmission module, and the final integrated module are compared and validated to ensure accuracy and efficiency. Cross-validation is also carried out against experimental results obtained in the present study to ensure an accurate analysis of cambered wings of FW-MAV (thrust, experimental error: about 1%). The solver can therefore be used to analyze a broad range of flexible wings including flapping vehicles, due to its ability to realistically reflect fluid, structural, and physical properties. A fluid-structure interaction analysis of the camber wing's passive trajectory and its unsteady aerodynamic mechanism is presented, along with aeroelastic trajectory characteristics promoting thrust generation. To determine the thrust and propulsive efficiency of the aircraft, aeroelastic design parameters are analyzed (camber angle, operating frequency, material properties of veins, pivot distance) as well as the relationship between structural dynamics (natural frequencies, mode functions) and unsteady flow characteristics. Design guidelines for anisotropic flexible wings are presented, which are advantageous for generating thrust and efficiency. The aerodynamic performance of the wing designed for hovering flight was significantly improved by applying the parameter selection direction suggested in this study. As a result of this study, the results of greatly improved aerodynamic performance were also confirmed in forward flight conditions. The proposed design direction should lead to excellent aerodynamic performance under various operating conditions in the future. An approach to enhancing the performance of flexible wings is presented in this study by extending experimental or empirical flapping flight vehicle research into numerical analysis. It can be used to develop flapping aircraft with improved performance by analyzing fluid-structural phenomena for various aeroelastic design parameters.

날갯짓 초소형 비행체는 곤충이나 새와 같은 날갯짓 생명체의 비행 특성을 모방하여 개발되고 있다. 날갯짓 비행은 정지 비행이 가능하면서도 민첩한 비행 특징을 가지고 있기 때문에, 다양한 목적의 차세대 초소형 무인항공기로 활용될 수 있어 주목받고 있다. 날갯짓 초소형 비행체의 유연한 날개는 비행 및 공력 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 따라서, 본 연구에서는, 다양한 재질 및 복합적인 형태로 구성된 비등방성 유연 날개의 물리적인 특성들을 사실적으로 모사하여 정밀하게 분석할 수 있는 유체-구조 연성해석 프레임워크를 개발한다. 또한, 유연 날개의 다양한 공력탄성학 설계 파라미터 분석을 통해, 날갯짓 비행체의 공력 성능을 향상시키기 위한 유연 날개의 설계 방안을 제시한다. 본 연구의 3차원 유체-구조 연성해석 프로그램은 날갯짓 초소형 비행체의 복합적인 형상(캠버 각), 다중 재질(시맥 및 박막 등), 경계 조건 등으로 이루어진 비등방성 유연 날개에 대한 유동현상과 구조현상을 사실적으로 모사할 수 있도록 개발되었다. 이는 유동해석, 구조해석, 연성해석 결합 및 정보 전달 모듈 각각에 대하여 정밀도 및 효율성을 고려하여 비교 및 검증을 통해 개발하였으며, 선행 연구의 비행체 뿐만 아니라 실제 날갯짓 비행체와의 교차 검증을 수행하여 매우 정밀한 해석 정확도(추력, 실험오차: 약 1%)를 갖는 것을 확인하였다. 따라서, 고주파수의 매우 유연한 날갯짓에 대하여 공력탄성학 거동과 주변의 비정상 유동 특성을 매우 사실적이고 정밀하게 해석할 수 있다. 유체-구조 연성해석을 기반으로, 캠버 날개에 대한 수동적인 궤적과 구동 속도의 영향에 따른 공력 발생 메커니즘을 분석하여 추력 및 효율 발생에 유리한 궤적 특징을 제시하였다. 또한, 공력탄성학 설계 파라미터(캠버 각, 작동 주파수, 시맥의 재질 특성, 피벗 거리) 분석을 수행하였으며, 구조 동특성(고유진동수, 모드 함수)과 비정상 유동 특성의 관계를 분석하여 비행체의 추력 및 공력 효율 발생에 유리한 비등방성 유연 날개의 설계 가이드라인을 제시하였다. 본 연구에서 제시된 파라미터 선정 방향을 적용하여, 정지비행 기본 비행 조건에서 설계된 날개에서 공력 성능이 획기적으로 향상된 결과를 도출하였다. 전진비행 조건에서도 크게 향상된 공력 성능의 결과를 확인하였으며, 본 연구의 설계 방향은 향후 다양한 운용 조건에서도 우수한 공력 성능을 도출할 수 있을 것으로 기대된다. 결과적으로, 실험 기반으로 개발되어 온 날갯짓 비행체 개발 절차를 수치해석을 활용한 연구로 확장하여 유연 날개의 성능을 크게 향상시킬 수 있었다. 유체-구조 간 긴밀한 상호작용이 발생하는 다양한 공력탄성학 설계 파라미터들에 대한 유체-구조적인 현상을 분석함으로써, 보다 향상된 성능의 날갯짓 비행체 개발에 기여할 수 있다.