专利名称：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
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. O)；
(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%。上述情况表明基于光固化快速成型技术的轻质高速风洞模型能应用于高速风洞试验，但光敏树脂外形刚度比金属材料模型低，在高气动载荷下易变形、静气弹效应较明显，对光固化快速成型高速风洞模型气动力试验结果有影响，与金属模型存在差异，因此目前国内外的光固化快速成型风洞模型还只用于初期气动外形选型和部件外形选型试验，在一定程度上目前还不能完全满足飞行器型号风洞模型研制需求，难以形成工程实用价值。为此，国内外技术人员正在积极开展计及静弹性变形影响的光固化快速成型风洞模型设计理论、方法与应用研究，以便将光固化快速成型风洞模型推广到较精细的气动选型试验。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了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，针对光固化快速成型风洞模型较薄处(如翼尖、机翼边缘、舵面边缘等)刚度低、易变形等缺陷，采用气动/结构耦合分析方法预测模型结构变形与气动力间的映射关系，通过响应面法搜索模型耦合优化设计气动外形，使得风洞试验中模型变形后的气动外形和需要研究的巡航外形一致，从而获得模型相应的气动力特性，并利用典型的大展弦比飞行器模型验证实例风洞试验结果验证该方法的正确性和可行性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是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，包括如下步骤
步骤一、建立光固化快速成型风洞模型的CFD/CSD耦合数值计算模型及网格(1)建立描述光固化快速成型模型结构外形的三维结构几何参数化数据库，获得光固化快速成型模型的三维结构示意 (2)对光固化快速成型模型表面进行离散化，划分模型物面非结构三角形网格，再划分模型内部结构计算区域网格，完成模型结构分析网格模型的生成；
(3)对光固化快速成型模型表面进行离散化，划分模型表面结构四边形网格，再根据模型物面网格外推在数值计算空间区域，划分流体计算区域分析网格，完成模型物面、边界层内及空间流体计算区域网格模型的生成；
步骤二、采用CFD/CSD耦合数值软件预测研究条件下的光固化快速成型模型弹性结构的静气动弹性变形
(1)根据结构和流体计算的不同要求，设置光固化快速成型模型结构和流体计算的边界区域及条件；
(2)将所有学科耦合界面的三维空间节点投影到二维参数空间平面上，进行气动载荷和结构位移数据传递；
(3)进行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合数值计算；
(4)采用双时间推进技术，在真实的物理时间迭代过程中，调用流体计算软件获得光固化快速成型模型物面气动力载荷，通过耦合数据传递方法将气动载荷参数传递于结构分析网格单元，进行结构应力、变形分析，完成一个时间步流体与结构耦合计算；沿着这个时间步长流体和结构分析进入到下一个时间步进行迭代计算；
(5)当流体计算和结构计算过程迭代后的模型变形与气动力变化满足设定的约束条件时，则说明基于流体和结构的CFD/CSD耦合计算满足收敛条件，流体和结构耦合分析过程结束，获得光固化快速成型模型巡航状态下的结构外形；
步骤三、基于响应面法搜索光固化快速成型模型的静气动弹性变形影响的优化气动外
形
(1)根据光顺自由变形的数值计算网格模型参数化软件，建立优化计算复杂度可变的形状优化参数化模型；
(2)利用基于响应面法的光固化快速成型模型气动/结构耦合优化软件，对光固化快速成型模型气动/结构耦合优化设计可行域内的扰动进行参数化建模，通过光顺自由变形操作得到设计可行域内的最优结构设计；
步骤四、建立光固化快速成型模型风洞试验模型的复合结构形式，完成模型的设计与加工；
步骤五、光固化快速成型模型气动特性风洞验证试验。所述对光固化快速成型模型气动/结构耦合优化设计可行域内的扰动进行参数化建模的方法是对光固化快速成型模型初始外形进行气动/结构耦合计算，获得模型收敛外形，得到结构构型承力响应与结构变形，记为
以此为初值，带入优化设计程序，获得结构构型沿不同坐标方向变形量系数K木人，得到优化设计参数Δχ^Αι/,Δζ.，公式如下:Ax = tr&x , Ay,
Az = Jfc-Δζ ；
利用基于响应面法的光固化快速成型模型气动/结构耦合优化软件获得模型结构最优外形。与现有技术相比，本发明的积极效果是针对光固化快速成型轻质风洞模型在气动载荷作用下，模型较薄处易发生变形，从而导致模型试验气动外形与巡航外形存在较大差异的关键问题，提出采用气动/结构耦合优化设计方法建立计及静气动弹性变形影响的光固化快速成型风洞模型设计方法，通过响应面法寻优处理，获得理想的模型气动外形，以满足高速风洞试验需求。
具体实施例方式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，包括如下步骤 步骤一、建立光固化快速成型风洞模型的CFD/CSD耦合数值计算模型及网格
(1)建立描述光固化快速成型模型结构外形的三维结构几何参数化数据库，获得光固化快速成型模型三维结构示意图；
(2)对光固化快速成型模型表面进行离散化，划分模型物面非结构三角形网格，再划分模型内部结构计算区域网格，完成模型结构分析网格模型的生成；
(3)对光固化快速成型模型表面进行离散化，划分模型表面结构四边形网格，再根据模型物面网格外推在数值计算空间区域，划分流体计算区域分析网格，完成模型物面、边界层内及空间流体计算区域网格模型的生成。步骤二、采用CFD/CSD耦合数值软件预测研究条件下的光固化快速成型模型弹性结构的静气动弹性变形
(1)根据结构和流体计算的不同要求，设置光固化快速成型模型结构和流体计算的边界区域及条件；
(2)首先进行光固化快速成型模型物面结构与流体分析网格匹配关系分析，解决结构计算软件和流体计算软件之间计算参数和数据传递难题。将所有学科耦合界面的三维空间节点投影到二维参数空间平面上，进行气动载荷和结构位移数据传递；
(3)进行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合数值计算，即利用同一时刻模型物面网格上CFD与CSD网格单元间的拓扑关系恒定，并考虑耦合界面上质量、动量、能量的守恒条件，建立普适性更高的应力应变场/流场耦合物理量(包括位移、速度与加速度)的局部光顺通讯方法，解决了 CFD流体物面网格与CSD结构物面网格的不一致及流体与结构网格模型间的数据交换问题。(4)采用双时间推进技术，在真实的物理时间迭代过程中，调用流体计算软件获得光固化快速成型模型物面气动力载荷，通过耦合数据传递方法将气动载荷参数传递于结构分析网格单元，进行结构应力/应变、变形分析，完成一个时间步流体与结构耦合计算 ’沿着这个时间步长流体和结构分析进入到下一个时间步进行迭代计算。(5)当流体计算和结构计算过程迭代后的模型变形与气动力变化满足一定的约束条件时，则认为基于流体和结构的CFD/CSD耦合计算满足收敛条件，流体和结构耦合分析过程结束，便可获得光固化快速成型模型巡航状态下的结构外形。步骤三、基于响应面法搜索光固化快速成型模型的静气动弹性变形影响的优化气动外形
(I)针对现有响应面法应用于光固化快速成型模型优化设计时的一些缺点(如设计变量的取值范围会严重影响响应面模型的适应能力，越大的设计空间将会增加响应面的预计误差，则使得估计流动特征不准确，响应面法的计算成本随设计变量数目的增加会快速的增长)，根据光顺自由变形的数值计算网格模型参数化软件，建立优化计算复杂度可变的形状优化参数化模型；
(2)利用基于响应面法的光固化快速成型模型气动/结构耦合优化软件，对光固化快速成型模型气动/结构耦合优化设计可行域内的扰动进行参数化建模，通过光顺自由变形操作得到设计可行域内的最优结构设计。具体方法是对光固化快速成型模型初始外形进行气动/结构耦合计算获得模型收敛外形，掌握结构构型承力响应与结构变形，记为Δτ,Δν,Δζ，以此为初值，带入
优化设计程序，获得结构构型沿不同坐标方向变形量系数屹，\，屹，得到优化设计参数
Δτ',Δν',Δζ'，公式如下
A y = JtrAx', Ay = , Δζ = JtrAz
基于响应面法的光固化快速成型模型气动/结构耦合优化软件获得模型结构最优外形。步骤四、建立光固化快速成型模型风洞试验模型的复合结构形式，完成模型的设计与加工
(1)根据模型结构外形，完成模型结构复合形式设计，主要是完成描述模型气动外形的光敏树脂材料的气动外形结构与模型内部金属骨架结构的设计；
(2)完成模型内部金属骨架结构和光敏树脂气动外形结构装配及模型内部金属骨架结构和测力天平间的装配形式设计；
(3)内部金属骨架结构一般设计形状较为规则，一方面有利于加工方便、节省加工时间，另一方面有利于进行结构分析，且对规则形状的分析数据较为可靠，故采用传统的机械加工方式制造，比如普通车、铣、钻、线切割等；
(4)模型外形部件采用光固化快速成型方法加工，其加工模型精度高，表面质量好，能制造形状复杂、精细的零件，且效率高；材料选用高速液态光敏树脂，能制作具有高强度、耐高温、防水等功能的零件；另外，模型的布置和摆放、成型方向直接影响外形的制造精度。故在加工之前，根据模型不同部位的精度要求，将三维结构模型布置和摆放、添加支撑及切层处理，再应用光固化快速成型设备完成加工；
(5)完成模型内部金属骨架结构和光敏树脂气动外形结构加工后，检查模型外形表面成型精度和质量，完成模型实物的装配与模型加工质量的检验。步骤五、光固化快速成型模型气动特性风洞验证试验
(1)采用结构分析软件完成光固化快速成型模型强度、刚度校核，在模拟实验室完成采用地面加载方式完成模型强度和刚度校核；
(2)制定光固化快速成型模型风洞试验方案设计，包括风洞试验条件与项目，试验数据处理方法、试验误差分析等；
(3)完成风洞验证试验，分析试验结果，与相关的参考文献及全金属模型试验结果进行比对，验证优化设计方法的可行性与正确性。
权利要求
1.一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，其特征在于包括如下步骤 步骤一、建立光固化快速成型风洞模型的CFD/CSD耦合数值计算模型及网格 (1)建立描述光固化快速成型模型结构外形的三维结构几何参数化数据库，获得光固化快速成型模型的三维结构示意图； (2)对光固化快速成型模型表面进行离散化，划分模型物面非结构三角形网格，再划分模型内部结构计算区域网格，完成模型结构分析网格模型的生成； (3)对光固化快速成型模型表面进行离散化，划分模型表面结构四边形网格，再根据模型物面网格外推在数值计算空间区域，划分流体计算区域分析网格，完成模型物面、边界层内及空间流体计算区域网格模型的生成； 步骤二、采用CFD/CSD耦合数值软件预测研究条件下的光固化快速成型模型弹性结构的静气动弹性变形 (1)根据结构和流体计算的不同要求，设置光固化快速成型模型结构和流体计算的边界区域及条件； (2)将所有学科耦合界面的三维空间节点投影到二维参数空间平面上，进行气动载荷和结构位移数据传递； (3)进行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合数值计算； (4)采用双时间推进技术，在真实的物理时间迭代过程中，调用流体计算软件获得光固化快速成型模型物面气动力载荷，通过耦合数据传递方法将气动载荷参数传递于结构分析网格单元，进行结构应力、变形分析，完成一个时间步流体与结构耦合计算；沿着这个时间步长流体和结构分析进入到下一个时间步进行迭代计算； (5)当流体计算和结构计算过程迭代后的模型变形与气动力变化满足设定的约束条件时，则说明基于流体和结构的CFD/CSD耦合计算满足收敛条件，流体和结构耦合分析过程结束，获得光固化快速成型模型巡航状态下的结构外形； 步骤三、基于响应面法搜索光固化快速成型模型的静气动弹性变形影响的优化气动外形 (1)根据光顺自由变形的数值计算网格模型参数化软件，建立优化计算复杂度可变的形状优化参数化模型； (2)利用基于响应面法的光固化快速成型模型气动/结构耦合优化软件，对光固化快速成型模型气动/结构耦合优化设计可行域内的扰动进行参数化建模，通过光顺自由变形操作得到设计可行域内的最优结构设计； 步骤四、建立光固化快速成型模型风洞试验模型的复合结构形式，完成模型的设计与加工； 步骤五、光固化快速成型模型气动特性风洞验证试验。
2.根据权利要求I所述的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，其特征在于所述对光固化快速成型模型气动/结构耦合优化设计可行域内的扰动进行参数化建模的方法是对光固化快速成型模型初始外形进行气动/结构耦合计算，获得模型收敛外形，得到结构构型承力响应与结构变形，记为A*,Ay,Az ,以此为初值，带入优化设计程序，获得结构构型沿不同坐标方向变形量系数 得到优化设计参数Δλ^Δ^Δζ',公式如下 Δχ = SliAx , Ay := iy&y, Δζ" = IsxAz ； 利用基于响应面法的光固化快速成型模型气动/结构耦合优化软件获得模型结构最优外形。
全文摘要
本发明公开了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，针对光固化快速成型风洞模型较薄处(如翼尖、机翼边缘、舵面边缘等)刚度低、易变形等缺陷，采用气动/结构耦合分析方法预测模型结构变形与气动力间的映射关系，通过响应面法搜索模型耦合优化设计气动外形，使得风洞试验中模型变形后的气动外形和需要研究的巡航外形一致，从而获得模型相应的气动力特性，并利用典型的大展弦比飞行器模型验证实例风洞试验结果验证该方法的正确性和可行性。
文档编号G06F17/50GK102867097SQ20121036197
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者杨党国, 张征宇, 王超, 孙岩, 梁锦敏, 张诣, 李耀华 申请人:中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所