[发明专利]飞机颤振风洞模型一体化设计及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于快速成型技术和航空工业风洞实验模型制造技术领域，具体涉及一种基于光固化快速成型的全树脂飞机颤振风洞模型的一体化设计及制造方法。

背景技术

飞机的颤振是在气动力、弹性力和惯性力作用下的自激振动，它从空气中吸取能量，一旦飞行速压超过临界值，振幅就迅速增大，导致飞机结构的破坏。颤振是破坏性的振动，所以在飞机的飞行包线内不允许出现颤振现象。为了确保飞行中不出现颤振，需要研究和校核设计结构的颤振性能，飞机模型的颤振风洞实验是研究颤振的重要手段。

为了研究飞机的颤振性能，风洞颤振模型必须精确满足几何相似、质量相似、刚度相似和结构相似，即全动力相似的要求；同时，由于飞机的外形与内部结构复杂，尤其是新型战机(气动、结构超复杂)、大型运输机(展弦比大，容易变形)，给颤振风洞模型的设计和制造带来了巨大困难。

目前，颤振风洞模型的设计与制造一般基于金属材料，通常采用一根或数根金属梁模拟刚度相似，通过航空板或木材制造的维形框架与玻璃纤维毡的组合维持气动外形和满足几何相似，最后采用重金属配重的方式达到质量相似要求。该方法存在的不足有：(1)工艺复杂。传统工艺采用金属梁、维形框、蒙皮等部件分别设计加工再组装的方式，气动外形由维形框和蒙皮保证，刚度由金属梁提供，质量相似通常在模型制造后期通过重金属配重调试完成。这种分散的设计和制造方法，不仅增加了设计难度，也使得工艺过程较复杂。(2)精度难控制。传统工艺采用金属梁、维形框、蒙皮等部件分别设计加工再组装的方式，这种多部件的组装的方法降低了模型的整体精度；而维形框、蒙皮等的加工和整体组装大都基于手工，造成了整体精度的损失。当模型外形和内部结构较复杂时，这个问题更加突出。(3)不能满足结构相似。由于刚度缩比设计中金属材料的刚度过大，在满足刚度相似的前提下无法同时兼顾结构的一致，而且维形框和蒙皮对模型的刚度没有贡献，这与飞机实际情况不符合，因此，传统的设计与制造方法不能满足结构相似的要求。(4)成本高、周期长。分散的多种材料的设计和加工、基于手工的制造工艺、飞机结构的复杂性等使得传统的颤振模型的设计和制造成本较高、周期较长、且不满完全满足颤振试验对全动力相似的要求。综上所述，传统的颤振模型的设计和制造难以满足飞机风洞实验的新要求，制约了飞机设计速度和设计质量的提高。

国内外的航空航天研发机构和部门正在积极探索和研究风洞模型快速制造新技术，其中以快速成型制造技术为中心和重点。美国航空航天局和空军、俄罗斯中央空气动力研究院等单位通过与数控加工的金属模型对比研究，认为快速成型制造技术在风洞模型制造上有明显优势，主要表现在不受形状和结构的复杂程度限制，对于飞机复杂流线外形制造具有很大优势。美国航空航天局马歇尔中心(NASA Marshall)、美国空军研究实验室(AFRL)和美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室(JHU/APL)的研究人员以新型UCAVX-45A无人攻击机和导弹风洞模型作为研究对象，对比分析了各种不同的快速成型技术在各种载荷实验条件下的适用性。研究发现，各种快速成型技术都适用于中小气动载荷实验条件，其中由于光固化成型(StereoLithography，SL)制造精度高，模型表面质量好，所以在风洞模型快速成型制造技术中最具前景。以上的研究集中在测力测压等刚性模型制造上，弹性模型方面，日本HONDA公司利用光固化成型工艺制造飞机外壳，与金属梁组装成跨声速颤振模型，将该工艺应用到了工业实际中。国内相关的工作以西安交通大学和中国空气动力研究与发展中心的合作研究为代表，在基于光固化快速成型技术的测力测压风洞模型的设计和制造方面具备较为成熟的基础。北京航空航天大学发展了一种基于低模量复合材料的低速颤振模型设计方法，采用传统复合材料成型工艺，制造了复合材料低速颤振模型。