[发明专利]计及静弹性变形影响的光固化快速成型风洞模型设计方法

说明书

技术领域

本发明属于实验空气动力学技术领域，特别涉及一种计及静弹性变形影响的光固化快速成型风洞模型设计方法。

背景技术

风洞模型是风洞试验的对象，是获得精准试验数据的前提。

传统的以金属为材料的高速风洞模型设计与加工周期长、成本高，复杂外形模型成型难，严重制约了风洞试验进度，影响型号研制节点。金属材料的高速风洞模型因依赖数控切削加工，一方面导致难以控制风洞模型的质量分布与配重比；另一方面导致制造周期长、成本高，以机翼加工为例，数控加工后易引起加工应力，可致使机翼变形，因此通常需安排多次热处理工序，消除加工残余应力，从而增加了模型制造周期和成本。

目前高速风洞模型研制周期约占飞行器气动布局设计周期的70%，已成为提升飞行器概念设计速度和型号研制进度最主要的瓶颈。

为了更好适应未来飞行器设计需求、加快型号研制进程，目前高速风洞模型的设计与加工方法急需改进，以便在飞行器设计过程中完成风洞模型的设计、加工与修形并提升设计水平，更好更快地完成风洞试验，获得精准试验数据。

光固化快速成型技术能将任意复杂的三维CAD模型离散为一组平行截面累加，这避免了切削加工中出现的几何干涉和残余应力现象，因此具有以下优势：

（1）风洞模型的形面加工精度和表面质量高，极适于制造具有复杂形面的飞行器风洞模型；

（2）便于控制风洞模型的质量与刚度分布；

（3）光敏树脂的比重远低于金属材料，故便于制作轻质的高速风洞模型。

鉴于此，当前国外的许多风洞实验研究机构普遍开展基于光固化快速技术的风洞试验模型设计方法与应用研究，以解决大尺寸高速风洞模型的研制难题，为加快型号研制进程和风洞试验模型修形等提供技术支持。在快速原型模型成型技术方面，美国和欧洲一直处于领先地位，美国NASA马歇尔飞行研究中心已验证光固化快速成型模型进行高速风洞试验的可行性，结果表明“钢或铝制作的模型费用为15000美元、耗时三个半月，而光固化快速成型的轻质风洞模型的制作费在3000到3500美元之间、耗时2－3星期，并且质量降至原来的3/4”。

欧洲空客在英国布理斯托尔的风洞试验结果证实“基于光固化快速成型技术的风洞模型的几何外形更加精确，使其在机翼端部的改进中将升力提高了3％”。俄罗斯中央流体力学研究院（TsAGI）也有自己独特的模型加工技术，2009 年也从美国引进了模型快速成型设备，初步证实“快速成型技术能以高精度制造出单个的战斗机风洞模型部件以及复合制造出组合的部件和模型”。光固化快速成型技术的先进性主要体现在CAD/CAM 模型设计和加工软件、模具、材料以及加工技术等方面，尤其是可实现风洞模型的快速成型（如X-33 模型几天成型），并在风洞试验过程中根据情况还可对模型实时快速修形，从而使风洞试验CFD化。这样，既大大降低模型加工的成本，又缩短模型研制周期。

因此，开展光固化快速成型风洞模型设计方法与高速风洞应用研究，发展光固化快速成型风洞模型设计方法、探索高速风洞应用可行性，不仅对解决光固化快速成型风洞模型设计难题、缩短模型加工周期、降低加工成本有重要意义，而且对提高风洞试验效率、缩短型号研制周期有较大益处。

但令人遗憾的是，国内在光固化快速成型的高速风洞模型研制和风洞试验的相关报道很少。近年来，中国空气动力研究与发展中心在光固化快速成型高速风洞模型设计理论、方法与应用方面进行了初步的探索性研究，取得了令人鼓舞的研究进展，发现了一些需要深入研究的技术难点和关键问题。

在前期的研究过程中，基于光敏树脂比重远小于金属材料的优点加工了光敏树脂快速成型AGARD-B风洞模型，模型质量大大降低，且改变了模型-支撑系统固有频率，避开跨声速风洞试验段气动脉动的低峰值频率实现了减振；模型内金属骨架采用结构简单、标准的构型，外形采用光固化快速成型的光敏树脂构型。

光固化快速成型的AGARD-B风洞模型验证试验结果表明：

（1）光固化快速成型高速风洞模型复合结构设计方法基本可行，并取得国家实用新型专利（专利号ZL200720082763.0）；

（2）缩短模型加工周期约69.5%;

（3）减少模型加工成本约70.3％；

（4）提高模型一阶固有频率约73.2％；

（5）减轻模型重量约38.9%。