نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

بال‌های بال‌زن مصنوعی الهام‌گرفته از طبیعت: بهینه‌سازی سازه‌ای بر اساس الگوهای مورفولوژیک بال سنجاقک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه گیلان
2 دانشگاه سوت بنک لندن
10.22060/mej.2026.25931.7982
چکیده
بال‌های سنجاقک از طریق یک سیستم متکی بر کنترل مکانیکی غیرفعال (Passive)، به مانورپذیری و عملکرد آیرودینامیکی بالایی دست می‌یابند. این مطالعه با ادغام ریخت‌سنجی هندسی از بال سنجاقک و یک چارچوب بهینه‌سازی پارامتریک، الگوهای سازه‌ای مؤثر بر تغییرشکل بال را بررسی می‌کند. در این راستا، یک مدل پارامتریک از بال در محیط Grasshopper توسعه یافت تا اثر الگوهای پلنفرم، شبکه‌بندی رگه‌های طولی، هندسه المان‌های مثلثی و تروستیگما بر مدهای تغییرشکل ارزیابی شود. با به‌کارگیری الگوریتم تکاملی چندهدفه Octopus، موازنه‌های میان جرم، انرژی کرنشی و سختی سازه‌ای تحلیل گردید. نتایج نشان داد که پیکربندی‌های بهینه ناگزیر با یک تضاد عملکردی (Trade-off) خمش–پیچش مواجه‌اند. تحلیل تطبیقی میان پیکربندی‌های بهینه‌شده و مورفولوژی بال گونه‌های Tramea و Potamarcha از خانواده Libellulidae روندهای عملکردی همسویی را نشان داد که بیانگر نقش کلیدی کارایی مکانیکی در تکامل ساختار داخلی بال است. افزون بر این، تحلیل دینامیکی نشان داد که علی‌رغم پیچیدگی ساختار بال، مدهای فرکانسی تناظر مستقیمی با پاسخ‌های استاتیکی دارند؛ به‌گونه‌ای که رفتار ارتعاشی بال به‌خوبی به تغییرات و اصلاحات اعمال‌شده در حالت استاتیک واکنش نشان می‌دهد. این پژوهش در نهایت یک الگوی طراحی ساده‌سازی‌شده و الهام‌گرفته از طبیعت برای توسعه ریزپرنده‌های بال‌زن (MAVs) ارائه می‌کند؛ دستاوردی که زمینه‌ساز ساخت نمونه‌های فیزیکی و آزمون‌های تجربی پرواز دینامیکی در پژوهش‌های آتی خواهد بود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Bio-inspired Artificial Flapping Wings: Structural Optimization Based on Dragonfly Wing Morphological Patterns

نویسندگان English

Majid Alitavoli 1
Ebrahim Bahramian 1
Ali Basti 1
hamed rajabi 2
1 University of guilan
2 London South Bank University
چکیده English

Dragonfly wings achieve high maneuverability and aerodynamic performance through a system relying on passive mechanical control. This study investigates the structural patterns affecting wing deformation by integrating geometric morphometrics of the dragonfly wing and a parametric optimization framework. In this regard, a parametric model of the wing was developed in the Grasshopper environment to evaluate the effect of planform patterns, longitudinal vein networking, the geometry of triangular elements, and the pterostigma on deformation modes. By employing the Octopus multi-objective evolutionary algorithm, the trade-offs among mass, strain energy, and structural stiffness were analyzed. The results showed that optimal configurations inevitably face a bending-twisting trade-off. A comparative analysis between the optimized configurations and the wing morphology of Tramea and Potamarcha species from the Libellulidae family revealed aligned functional trends, indicating the key role of mechanical efficiency in the evolution of the internal wing structure. Furthermore, dynamic analysis demonstrated that despite the complexity of the wing structure, frequency modes have a direct correspondence with static responses, such that the vibrational behavior of the wing responds well to changes and modifications applied in the static state. Ultimately, this research presents a simplified, bio-inspired design paradigm for the development of flapping Micro Air Vehicles (MAVs); an achievement that lays the groundwork for fabricating physical prototypes and conducting experimental dynamic flight tests in future studies.

کلیدواژه‌ها English

Bio-inspired parametric wing design
Dragonfly wing morphology
Micro Air Vehicles (MAVs)
Principal Component Analysis (PCA)
Multi-objective optimization

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 مرداد 1405