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            基于3D打印的舵面可調實用化飛機風洞 模型的設計與試驗

            2016-8-8 09:34| 發布者: admin| 查看: 788| 評論: 0

            摘要:   風洞模型的設計和加工是飛機風洞試驗的重要環節,對飛機研制的周期和成本具有重要的影響[1]! ∧壳,實用化的模型均采用金屬機械加工方式實現。金屬( 優質鋼或硬質鋁) 具有優良穩定的機械性能,能保證風洞 ...
              風洞模型的設計和加工是飛機風洞試驗的重要環節,對飛機研制的周期和成本具有重要的影響[1]。

              目前,實用化的模型均采用金屬機械加工方式實現。金屬( 優質鋼或硬質鋁) 具有優良穩定的機械性能,能保證風洞試驗的安全穩定開展;以數控加工為代表的制造技術能夠提供令人滿意的加工精度。因此,高性能模型的設計和加工均采用金屬-機加工模式[2]。然而,先進制造技術和材料科學的進步,為人們重新思考傳統模式和發展新的模型設計和加工方法提供了可能。



              一方面,風洞模型是服務于飛機研制的一類特殊工業產品,具有典型的單件小批量特點,飛機研制中對氣動布局、外形參數、武器配置和內部結構等會提出多種方案,需要開展大量的風洞試驗,因此,模型的設計和制造應該能夠快速響應飛機設計人員的需求,但這并不是服務于大批量生產的傳統機械加工技術的優勢所在; 另一方面,非金屬材料( 高分子、復合材料等) 取得了長足發展,已能夠為工程應用提供更豐富的材料選擇。相比金屬,通常的高分子和復合材料雖然強度較低,但具有較好的比強度和比剛度[3],這對于設計加工輕質化的風洞模型具有重要價值[4-5]。

              同時,較低的強度和剛度也為飛機模型的開發提供了新的可能,如文獻[6]~文獻[10]驗證了材料的低模量性有助于實現結構相似彈性模型的設計和制造,而采用金屬作為模型材料是不可能的。

              3D打印(3D printing,也叫Additive Manufac-turing增材制造,或者Rapid Prototyping快速制造) 是一種全新的制造技術,有別于傳統機械加工“去除材料”的減法方式,是一種做“添加材料”加法的加工技術,被廣泛認為有可能引發制造業的革命[11],美國政府已經制定計劃以此為振興美國制造業的核心技術[12]。目前,已發展成熟的高性能3D打印技術工藝包括光固化成型(Stereo-lithography,SL)、選區激光燒結 (Selective LaserSintering,SLS) 和 熔 積 成 型 (Fused DepositionModeling,FDM)。需要指出的是,目前商品化的高精度加工設備使用的均為非金屬材料。近年來,國內外許多相關研究機構和有關單位開展了3D打印技術革新飛行器風洞模型設計和制造的研究,目光首先聚焦在用非金屬模型代替金屬模型的可行性研究上。

              國外,美國國家航空航天局(NASA) 的Springer團隊[13]、伊朗Khajeh-NasierToosi技術大學的Aghanajafi團隊[14]、美國Ala-bama大學的Landrum團隊[15]、加拿大Mc Gill大學的Chuk團隊[16]以及俄羅斯中央氣動研究所(Ts AGI)的Azarov團隊[17]等于1990年最早開展了相關研究,并證明了3D打印技術用于初步氣動研究中風洞模型設計和制造的可行性。國內,西安交通大學、中國空氣動力研究與發展中心和中航工業成都飛機設計研究所等單位最早合作開展了相關研究[18-20],初步證明了3D打印技術用于高低速風洞模型制造的可行性和優勢。

              美國空軍已經將該方法用于E-8C預警機[21]、X-45A無人機[22-23]等型號的研制中,取得了良好效果。但是已有的研究多采用較簡單的飛行器結構為對象[5,13,14,24]( 導彈和飛機翼身等) ,很少涉及具有復雜細節特征( 如可調舵面等) 的模型。這些特征的設計和加工能力對實用化模型很重要,也對3D打印技術的可行性提出了進一步的挑戰。采用樹脂-金屬復合結構方案可利用3D打印技術和機械加工技術的優勢,是一種實用化的模型結構方案。以型號飛機為對象、金屬模型為對照,驗證3D打印技術在實用化風洞模型設計和制造中的可行性。本文采取以上方案,設計和制造了某型號飛機的低速風洞模型,該模型包括了3D打印技術加工的樹脂舵面,其偏角可調整。

              通過與金屬模型的對比試驗,對該方案的可行性和經濟性進行了分析。1復合模型整體設計某型號飛機低速風洞模型的結構如圖1所示。全部氣動外形均采用光固化技術加工,包括:機身、主機翼、垂尾、平尾、掛彈機翼和全部舵面( 前襟、后襟、副翼、方向舵和可動平尾等) ,如圖2所示。為提高模型強度和保證裝配精度,在樹脂氣動外殼內部鑲嵌了機械加工的金屬骨架( 機身內部的金屬套筒及主機翼內部的金屬板)。

              樹脂-金屬復合風洞模型的結構所用材料的機械性能參數如表1所示。樹脂外殼由一種光敏樹脂加工,機翼骨架和各連接部件( 如舵面上的變角片等) 由40Cr鋼加工,其他金屬的骨架材料為45鋼。各材料安全系數為2時的許用應力也列于表1中。本文模型尺寸縮比系數為1∶ 10,機身長度和展長約為1. 5m和0. 9 m。所用SL設備加工尺寸為0. 60 m × 0. 60 m × 0. 45 m(SPS600B,陜西恒通智能股份有限公司) ,因此樹脂外殼需要分割加工。同時,該分割也為模型的裝配提供了可能。分割方案如圖1所示,機身的分割避開了重要氣動部位,機翼和機身的一體加工( 左右主機翼-中機身和垂尾-后機身) 能夠避免機翼和機身接縫處的氣動干擾。所有舵面采用分別加工后安裝的方式。

              2可調舵面的設計舵面機構包括主機翼的襟翼及副翼,垂尾和平尾的方向舵、升降舵等操縱面,是保證飛機氣動性能、實現飛機飛行控制的核心。在飛機研制中,有大量模型需要配備偏角可調的舵面機構。本文采用變角片的方式來實現舵面調節。模型整體裝配精度的保證取決于金屬-樹脂間的裝配精度。通過3D打印整體加工的樹脂安裝孔是主要的金屬-樹脂裝配定位結構,其加工精度對裝配精度有直接的影響。根據SL加工精度研究,通過預設一定的補償尺寸和優化相應的工藝參數 ( 成 型 方 向 等) 能 夠 提 高 孔 洞 加 工 精度[14]。

              但是即使采取優化措施,帶曲面的孔洞依然難以達到金屬同量級的加工精度。同時,模型通常需要進行多次的拆裝,而樹脂安裝孔在拆裝過程中會因不可避免的磨損而損失定位精度。為此,本文提出了在樹脂安裝孔內安裝金屬軸套的方式來解決這兩個問題。一方面,金屬軸套避免了樹脂直接參與裝配而起到保護作用; 另一方面,金屬軸套可以采用外部的定位結構來避開樹脂孔洞直接定位帶來的精度下降。

              針對不同位置孔洞的尺 寸 大 小,提 出 了 以 下 兩 種 安 裝 孔 強 化方案[25]:1) 直接定位方法如圖3(a) 和(b) 所示,以3D打印加工的孔洞的階梯孔面作為定位基準,直接將金屬套筒涂上膠接劑后壓入定位孔,在非定位面處需留出一定的間隙便于粘接劑的固化連接。軸向定位面是階梯孔的上表面,為平面,能夠保證較高的加工和定位精度; 而徑向定位面為孔洞內表面,需要工藝優化。這種定位方法適合于有較大安裝位置的區域( 如圖1中的機身定位孔) ,優勢是所有定位面均采用3D打印一次整體加工,工藝簡單,不足是定位精度完全取決于樹脂孔的加工精度,在機身等大尺寸區域能夠滿足要求,但對于舵面等細小特征的定位精度難以保證。

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