专利名称：晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速风洞试验模型，特别是涉及一种利用晶须增强的光敏树脂制作的高速风洞试验模型。
背景技术：
通过仅有外形相似的刚性风洞模型，风洞试验无法模拟飞行器的气动力响应特性，即不能反映飞行器的气动弹性(简称气弹)现象(如颤振、变形发散、抖振、操纵反效以及突风响应等)，而气弹对飞行器的操纵性与安全性有巨大影响。因此，军机源于高机动、高机敏、高隐身等发展方向，(大型)民机出于飞行安全、适航认证等原因，不论是主动利用还是避开气弹现象以实现最优的刚度与质量的分布，都须进行全机(至少是半模)的气弹风洞试验。传统气弹风洞试验模型设计与制造方法，主要靠工程经验设计出简化梁架模拟飞机翼面弯曲刚度和扭转刚度，再在梁架上充填低模量材料(如轻木、硬质泡沫塑料或硅橡胶)实现几何外形模拟，存在的问题如下:
填充轻木，易维持良好的空气动力外形，但附加刚度大，加之轻木材料各向异性，刚度修正难以准确进行；用硬质泡沫塑料充填，附加刚度较小，表面加工精度低；硅橡胶成型的方法，工艺简单、成型效果好、附加刚度小，但对高速风洞气动载荷而言其强度不足。按刚度要求设计的高速颤振模型，其结构重量往往超过相似原理要求的重量值，只能保持模型的质量分布与实物相似的前提下允许模型适度超重，再修正超重的影响，故模拟的振动特性失真不可避免。复合材料有轻质、比强度和比刚度高等优点，但复合材料气弹风洞模型的广泛应用尚待解决以下问题:
①复合材料通过刚度方向性来控制翼面的结构动力学特性，共固化实现整体成形，但铺层不对称、在给定方向上存在刚度与膨胀特性上的差异时，可引起翘曲变形甚至分层，力口之飞机的气弹试验模型属梁架承力的薄壁结构，热应力与热应变难以消除；而研究表明超临界翼型剖面形状对跨声速激波的位置和强度有重要影响，故模型的轻微翘曲或热应变都将对跨声速颤振速度产生较大影响。②复合材料的力学性能分析须考虑增强体结构形式、制造工艺和环境等因素，传统气动弹性数值模拟方法难以胜任。③气弹风洞试验模型属单件、小批量生产，导致复合材料制作的工艺自动化程度低、制成模型的动力学响应指标的误差较大且不稳定。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，该模型与飞行器外形相似，刚度分布与质量分布相似，振型相同，制作简单快捷且成本低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，包括骨架和外包在骨架上的蒙皮，其中蒙皮的材料为光敏树脂，且光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%。在上述技术方案中，所述骨架包括梁架和主梁，蒙皮外包在梁架和主梁上，所述梁架和主梁的制作材料为光敏树脂，且光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%。在上述技术方案中，所述骨架包括梁架和主梁，所述梁架和主梁的制作材料为高强度金属材料。在上述技术方案中，所述光敏树脂中加入晶须，然后采用光固化成型工艺制作蒙皮或制作梁架和主梁。从上述本发明的各项技术特征可以看出，其优点是:
晶须(又名短纤维，直径仅几个μ m，是一种须状单晶体)，由于晶须本身结构纤细，且具高强度、高模量，加入到光敏树脂之中，能够均匀分散，起骨架作用，形成高分子聚合物一纤维复合材料，晶须的存在能够发展定向结构，但又不产生各向异性，可减少缺陷形成，有效地传递应力，阻止裂纹扩展。晶须增强的光敏树脂材料性能，满足高速风洞的气动载荷要求，而比重与复合材料相似，便于配重实现质量分布模拟；另一方面，宏观趋向于各向同性，结构动力学的数值模拟方法(较各向异性)成熟的多，设计工作较复合材料简单、准确度高。本发明在光敏树脂(一种高聚物)中添加晶须，其含量为光敏树脂质量的6 %，搅拌均匀，利用目前成熟的光固化成型工艺，制作气弹风洞试验模型，极适于单件小批量制造具有复杂形面与型腔的飞行器气弹试验模型，且形面加工精度和表面质量高。与现有复合材料气弹风洞试验模型不同，晶须增强的光敏树脂宏观上趋向于各向同性，结构动力学的数值模拟方法(较各向异性)成熟的多，设计工作较复合材料简单、准确度高，但其比重与复合材料相似，具备复合材料气弹风洞试验模型便于配重实现质量分布模拟的优点。晶须增强的光敏树脂的光固化成型工艺较之传统复合材料制造工艺成熟，有低得多的材料和制造成本(约为复合材料的1/8)、极短的制造周期(一周内，约为复合材料的1/20)。而复合材料通过刚度方向性来控制翼面的结构动力学特性，共固化实现整体成形，但铺层不对称、在给定方向上存在刚度与膨胀特性上的差异时，可引起翘曲变形甚至分层，加之飞机的气弹试验模型属梁架承力的薄壁结构，热应力与热应变难以消除；而大型飞机采用大展弦比超临界机翼降低阻力和减缓激波/边界层诱导振动的作用，研究表明超临界翼型剖面形状对跨声速激波的位置和强度有重要影响，故模型的轻微翘曲或热应变都将对跨声速颤振速度产生较大影响。较轻木、硬泡沫塑料或硅橡胶等传统材料气弹模型有更高的气动外形、刚度与振型模拟精度。
图1是本发明梁架结构模型的结构示意 图2是本发明主梁结构模型的结构示意 其中附图标记I是蒙皮2是梁架 3是主梁。
具体实施例方式下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的说明:
如图1和图2所示:本发明的晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，包括骨架和外包在骨架上的蒙皮，其中蒙皮的材料为光敏树脂，光敏树脂为一种高聚物，在光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%。将光敏树脂和晶须搅拌均匀后，利用目前成熟的光固化成型工艺制作蒙皮，或是骨架，然后将蒙皮外包固定在骨架上既可制作气弹风洞试验模型。在上述材料中，本发明充分的利用了晶须的特性，具有高强度高模量，且本身结构纤细，加入到光敏树脂中以后，能够均匀的分散，起到骨架的作用，形成高分子聚合物-纤维复合材料，晶须的存在能够发展定向结构，但又不产生各向异性，可减少缺陷形成，有效的传递应力，阻止裂纹扩展。进一步的方案中，骨架包括梁架和主梁，如图1和图2所示，在制作的过程中，按照气动弹性高速风洞试验模型给定的气动载荷，校核晶须增强的光敏树脂的强度是否满足，若满足则采用晶须增强的光敏树脂设计模型的主梁或梁架结构，否则采用高强度金属材料设计主梁或梁架结构。本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
权利要求
1.一种晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，其特征在于包括骨架和外包在骨架上的蒙皮(1)，其中蒙皮的材料为光敏树脂，且光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%。
2.根据权利要求1所述的晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，其特征在于所述骨架包括梁架(2)和主梁(3)，蒙皮(I)外包在梁架(2)和主梁(3)上，所述梁架(2)和主梁(3)的制作材料为光敏树脂，且光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%。
3.根据权利要求1所述的晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，其特征在于所述骨架包括梁架(2 )和主梁(3 )，所述梁架(2 )和主梁(3 )的制作材料为高强度金属材料。
4.根据权利要求2或3所述的晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，其特征在于所述光敏树脂中加入晶须，然后采用光固化成型工艺制作蒙皮(I)或制作梁架(2)和主梁(3)。
全文摘要
本发明为一种晶须增强的光敏树脂气动弹性高速风洞试验模型，涉及一种高速风洞试验模型的研制。技术方案是包括骨架和外包在骨架上的蒙皮，其中蒙皮的材料为光敏树脂，且光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%；所述骨架包括梁架和主梁，蒙皮外包在梁架和主梁上，所述梁架和主梁的制作材料为光敏树脂，且光敏树脂中添加有晶须，所述晶须的含量为光敏树脂质量的6%；所述骨架包括梁架和主梁，所述梁架和主梁的制作材料为高强度金属材料；所述光敏树脂中加入晶须，然后采用光固化成型工艺制作蒙皮或制作梁架和主梁。该模型与飞行器外形相似，刚度分布与质量分布相似，振型相同，制作简单快捷且成本低。
文档编号G09B25/00GK103177646SQ20111044031
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者张征宇, 孙岩, 赵涛, 王水亮 申请人:空气动力学国家重点实验室