后浪·青科 | 镇中学子从蜻蜓翅膀汲取灵感，他们正在探索扑翼机轻量化未来

我们相信，每一个小小的发现，都是通往科学巅峰的基石；每一次大胆的尝试，都是点燃创新火花的火种。

在波澜壮阔的科技革命中，有这样一群少年，他们以稚嫩却坚定的步伐，踏入探索未知的征途，用智慧和汗水在科学的浩瀚星空中点亮璀璨星辰。《后浪：知识·洞见·有趣的人》专栏将聚焦创新、严谨、想法涌动的青年学生，交流展示青年学生科研成果，共同见证青春的智慧之光照亮未来。

在这里，

每一篇报道都是一次灵感的碰撞，

每一项成果都是一次梦想的飞跃。

本期让我们走进镇海中学项目组，

见证探索、学习与成长。

“翅”咤风云，“翼”统天下

关于蜻蜓翅膀结构的静力学分析以及对扑翼机轻量化的畅想

对天空的向往激励着人类持续提升飞行能力，自然生物的飞行本领是重要的灵感来源。扑翼机是人造飞行器的一个典型，从春秋时期鲁班对木质扑翼机的研发与试飞，到如今扑翼机在国防民生等领域的应用，人们已经取得显著进展。然而为了能在有限的能量储备下实现更长的续航以及灵活度，轻质高强的机翼结构已成为扑翼机发展中的一个重要方向。

现阶段的研究重点偏向于对于鸟类等脊椎类动物进行结构仿生，制造出如单自由度扑翼结构等研究成果。但是我们认为，相较于鸟类，蜻蜓拥有更高的仿生研究价值。经查询：蜻蜓翅膀的重量仅占体重的1.5%，却可以实现复杂，高精度的飞行动作时，保持较高的速度。惊叹于大自然的神奇创造，本小组成员一致同意对蜻蜓翅膀展开研究，探究蜻蜓飞行的秘密。

结构是功能的基础，本实验以蜻蜓标本的翅膀为研究对象，通过测试、表征获得基本物性参数和结构样式，进一步借助ANSYS有限元分析软件进行静力学仿真实验，探究蜻蜓翅膀结构在不同受力状态下的力学行为。本研究将揭示蜻蜓翅膀飞行能力的重要因素。

01 材料属性获取

对多个蜻蜓翅膀样本进行测量，获得重量和尺寸参数，并查阅相关文献，获得相关材料属性数据。

02 蜻蜓翅膀图像获取

通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察，从而获得蜻蜓翅膀较为清晰的平面图像进行建模分析。

03 蜻蜓膜翅SEM图像的获得

采用扫描电子显微镜（SEM）观察蜻蜓翅膀，借助仪器高放大倍率和深景深的特点，观察翅脉的微观结构和翅膜纹理。具体操作步骤如下：

1 样品制备：从干燥、无油污染的蜻蜓标本中取下翅膀，并将其切成合适尺寸；

2 样品处理：使用导电胶将样品粘结在样品台上，并进行喷金处理，以增强其导电性；

3 SEM 观察与成像：将处理好的样品放入SEM 中，选择合适的区域进行观察，并通过调整电子束参数和样品台位置，获得所需的高精度三维图像。

观察发现，翅脉近似圆柱体，纵横交错，形成了由四边形、五边形和六边形组成的网格状结构，支撑着翅膜。

04 有限元模型构建

由于实际的蜻蜓翅膀力学分析需要经过大量的实验测算，可能会造成材料的大量损耗，所以利用 ANSYS Workbench 软件建立蜻蜓翅膀的有限元模型，并对其进行静力学分析。可以实现在图纸设计阶段就能够观察到模型的物理力学性征且不用把样本做出来在实验中检验的目的，可以有效降低实验难度。模型建立过程如下：

1 几何模型构建：参照蜻蜓翅膀照片及SEM图像，使用软件自带的SpaceClaim模块构建蜻蜓翅膀的几何模型。

2 材料模型创建：创建翅脉和翅膜材料模型，输入弹性模量和泊松比数值。

3 有限元模型创建：对几何模型划分网格，同时完成材料参数的赋值，获得有限元计算模型。

4 求解参数设置：在翅根处设置固定约束或位移约束，并在翅尖处施加集中载荷、均布载荷和扭矩等边界条件，进行静力学求解，获得模型的变形、应力和应变分布云图。

蜻蜓在空中存在多种飞行姿态，受力形式多样。通过对蜻蜓飞行状态的分析，抽象出3种静力学模型，借助ANSYS进行有限元计算，以加深对蜻蜓翅膀结构的认识。

01 蜻蜓翅膀静力分析

以最简单的悬停状态为例，首先存在重力，然后蜻蜓翅膀提供升力，抵消重力以保持悬停姿态（图左）。蜻蜓翅膀是一个面，可认为面内均匀分布着载荷q，所有翼面均布载荷的合力与蜻蜓自身重力抵消。

蜻蜓翅膀长度大于宽度，类似悬臂结构，当受力集中于翼尖时，对于翼根处相当于施加了一个弯矩，是对结构的严苛考验，可称其为极限受力状态（图中）。对应于翼尖集中力产生的弯矩，翼根处会产生相应的反向弯矩，以保证结构受力平衡。

当蜻蜓受到风吹等外界干扰，翅膀可能产生扭转。这里，将集中力分别加载到翅膀前后缘，大小相等，方向相反，则将沿力的连线对翅膀形成扭矩（图右）。相应的，翼根处形成反作用的扭矩，以保证结构受力平衡。

02 均布载荷模型

在分析蜻蜒翅膀在受均布载荷（悬停）情况时，本研究在蜻蜓翅膀模型上添加翼面均布载荷。均布载荷是指均匀分布在面积上的载荷。作用力图如图所示。

从图中可以看到，均布载荷作用下，变形主要发生在翼尖，最大变形量为2.1mm，变形程度从翼尖向翼根递减，翼根处为零。应力和应变状态则相反，主要发生在翼根，翅根处的最大应力为8.1MPa，最大应变为2.15×10-3。仔细观察应力和应变云图，可以发现应变在膜翅面上沿纵脉呈放射状分布，表明翅脉的网格结构为主要传力路径。翅根部主要为四边形结构，末端主要为五边形和六边形网格，说明四边形网格刚度相对大。

03 弯矩模型

集中力相对于约束位点产生弯矩，集中力是将外部载荷集中作用于一点，代表了一种极端情况。约束与载荷施加方式如图所示。

极端载荷情况下，翅膀变形大幅增加，翅尖处最大变形量达到163 mm，而翼根处也有18.1 mm，不符合实际情况，说明模型有不完善之处，同时也反映出翼尖集中载荷对结构提出更高要求。从相对变化规律上看，翼尖集中力在翅脉网络结构传导下直达翼根，使翼根承受最大的应力与应变。

04 扭矩模型

一对大小相等、方向相反的作用力，将使力的作用点的连线产生扭转。约束与载荷施加方式如图所示。

在扭矩作用下，翅膀形变主要发生在前后缘的作用点附近，而应力和应变则经由翅脉网络传递至整个翼面，最终传递至翼根支撑处。应力和应变云图较好地反映了蜻蜓翅膀结构的作用，体现了其承力功能的优异。

01 数据总结

本研究聚焦蜻蜓翅膀的结构与受力，针对实际飞行状态中抽象获得的3种受力模型，通过实物测量与表征、数值仿真实验分析等手段，获得了蜻蜓翅膀在不同受力状态下的应力和变形情况，加深了结构与功能关系的理解。

结果表明，翅脉结构对于抵抗外力发挥着关键作用。蜻蜓翅膀的多边形翅脉结构有效地分散了外力，避免了应力集中，并具有良好的承载能力和稳定性。翅根处的四边形结构刚度较大，能够抵抗较大的变形，从而保护翅膜不受损伤。这些发现为扑翼机的轻量化设计提供了思路。

02 关于创新性与实用性

创新性：1）以蜻蜓翅膀为例，对自然生物的优秀结构进行静力学分析，探究结构与功能的关系，为扑翼机轻量化机翼的结构设计提供思路；2）借助数值仿真技术，对复杂几何结构进行仿真分析，可分别讨论不同受力状态下的结构表现。通过对蜻蜓翅膀的深入解析，理解了自然演化的结构优化性，可推动扑翼机轻量化机翼的发展。

实用性：通过学习蜻蜓翅膀这种具有优异承力性能的轻便天然结构，研发轻量高强飞行器材料，有望助推小型无人机（如固定翼无人机）所需的新一代复合材质及架构，显著提升载重量能力。

01 机翼设计方向

蜻蜓翅膀的力学结构和性能为未来仿生机翼设计提供了丰富的启发，主要体现在以下几个方面：

a.轻量化与高强度

蜻蜓翅膀通过网格化的翅脉结构有效地分散了应力，同时保持了极轻的重量，实现了高强度与轻量化的结合。未来的飞行器机翼可以借鉴这种网格化结构，特别是在材料学与3D打印技术的结合下，通过仿生技术制造出具有类似轻质高强度的机翼。那么便可以在保证结构强度的同时大幅降低机翼的重量，从而减少燃油功耗并延长续航时间。

b.分区刚度机翼

模仿蜻蜓翅膀的刚柔并济设计，可以制造具有局部刚度和柔性的混合材料机翼。例如，在飞行器机翼的不同区域使用不同的复合材料，使得某些区域保持较高的刚性，而其他区域则具备更大的柔韧性，以提升飞行适应性。

02 机翼结构设计预想

基于以上研究基础，参照蜻蜓膜翅结构进行机翼设计。本实验获得以下两个设计预想：

1.网格状结构

特点：蜻蜓翅膀设计成类似于蜂巢网格，这种结构使得整个翅膀具有较高的刚度和稳定性，能够有效抵抗外部载荷。此外，蜂巢形网格结构相对简单，便于模拟，设计蜂窝状的基本框架。

力学性能：此类结构有利于抵抗弯曲和剪切力，并能有效地分散外部载荷，减少应力集中。

2.复合结构

特点：结合蜂窝状与其他结构，既可以模拟出类似于自然翅膀的轻量化设计，又能保持高强度。

力学性能：这种设计可以实现轻量化与高强度的兼顾，也是较接近自然仿生的结构，适合在多种载荷条件下使用。

03 未来研究方向

基于本次实验并放眼未来，本研究拟定以下研究方向以获得更为先进的机翼设计：

1. 多尺度力学分析

进一步研究翅膀在微观尺度下（如翅膜的纳米结构、微小翅脉等）与宏观尺度下（整个翅膀的振动模式）的力学表现，探索其相互影响；

2. 翅膀变形和振动控制

利用柔性材料与智能材料的结合，研究出具备主动振动控制能力的仿生机翼结构，使其能够根据飞行条件自动调整形态，提升飞行器性能。

本研究以蜻蜓翅膀为对象，通过测试、表征以及数值仿真计算等对其结构进行了静力学分析，揭示了不同力学载荷下的结构优势，为机翼轻量化设计提供了宝贵启示。研究发现，蜻蜓翅膀的翅脉结构由四边形、五边形和六边形等组成网络结构，这种结构能够有效地分散外力，避免应力集中，并具有良好的承载能力和稳定性。结构决定功能，蜻蜓翅膀的网格化结构使其能够承受自身重量并实现高效的飞行，为扑翼机轻量化设计提供了重要的参考。