基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252014V01．35No2400．407ISSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cndoi：10．7527／$1000一6893．2013．0347基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验朱伟军1，李涤尘1’*，任科2，张征宇31．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安7100492．中航工业成都飞机设计研究所，四川成都6100413．中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000

2、摘要：飞机风洞试验模型的设计和加工是风洞试验的重要环节，对飞机研制的周期和成本具有重要的影响。为提高飞机研制的效率，基于3D打印技术提出了实用化飞机风洞模型的设计和制造方法。采用3D打印加工树脂气动外壳和机加工金属强化骨架的复合结构方案，设计并测试了某型号飞机的低速全机测力模型。提出了变角片和旋转轴一定位销两种舵面偏角方案，设计了内嵌金属套筒用以降低因装拆磨损带来的树脂精度损失。采用计算流体力学与计算结构力学(CFD／CSD)分析技术，对模型的设计进行了强度校核。加工装配的复合模型在FD-09低速风洞进行了吹风试验。试验结果显示：带舵面偏角的复合模型在迎角a=8。和风速V=70

3、m／s条件下安全，其气动数据与金属模型吻合良好，具有实用性。相比金属模型，树脂一金属复合模型的加工周期和成本大幅降低，可有效响应飞机设计工作者对模型快速设计和加工的需求，有助于提高飞机设计效率。关键词：风洞试验；风洞模型；可调舵面；3D打印；快速制造；增材制造；光固化成型中图分类号：V211．78；TP334．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)02—0400—08风洞模型的设计和加工是飞机风洞试验的重要环节，对飞机研制的周期和成本具有重要的影响[1]。目前，实用化的模型均采用金属机械加工方式实现。金属(优质钢或硬质铝)具有优良稳定的机械性能，能保证风洞试验

4、的安全稳定开展；以数控加工为代表的制造技术能够提供令人满意的加工精度。因此，高性能模型的设计和加工均采用金属一机加工模式[2]。然而，先进制造技术和材料科学的进步，为人们重新思考传统模式和发展新的模型设计和加工方法提供了可能。一方面，风洞模型是服务于飞机研制的一类特殊工业产品，具有典型的单件小批量特点，飞机研制中对气动布局、外形参数、武器配置和内部结构等会提出多种方案，需要开展大量的风洞试验，因此，模型的设计和制造应该能够快速响应飞机设计人员的需求，但这并不是服务于大批量生产的传统机械加工技术的优势所在；另一方面，非金属材料(高分子、复合材料等)取得了长足发展，已能够为工程应用

5、提供更丰富的材料选择。相比金属，通常的高分子和复合材料虽然强度较低，但具有较好的比强度和比刚度口]，这对于设计加工轻质化的风洞模型具有重要价值n。5]。同时，较低的强度和刚度也为飞机模型的开发提供了新的可能，如文献[6]～文献[103验证了材料的低模量性有助于收稿日期：2013-03—12；退修El期：2013—06-04；录用日期：2013—07—22；网络出版时间：2013—08—2115：18网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V20130821．1518．003．hlmI基金项目：国家自然科学基金(51075385)；机械制造系统工程

6、国家重点实验室开放课题基金(SKLMS200803)*通讯作者．Tel：029·83399510E-mail：dcli@mailxjtueduca戮用格武tZhuWJ，LiDC．ReK．etal．Designandtestofapracticalaircraftmodelforwindtunneltestingwithadiuslab

7、econtrolsurfacesbasedon3Dprinting[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014t35(2)：400-407．朱讳军．李涤尘．任辩．等．基于3D打印的舵面可调实用化飞机风滑

8、模型的设计s试验!J]航空学报．2014．35(2)：400-407朱伟军等：基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验实现结构相似弹性模型的设计和制造，而采用金属作为模型材料是不可能的。3D打印(3Dprinting，也叫AdditiveManu—facturing增材制造，或者RapidPrototyping快速制造)是一种全新的制造技术，有别于传统机械加工“去除材料”的减法方式，是一种做“添加材料”加法的加工技术，被广泛认为有可能引发制造业的革命[11I，美国政府已经制定计划