專利名稱：計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法
技術領域：
本發明屬于實驗空氣動力學技術領域，特別涉及一種計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法。
背景技術：
風洞模型是風洞試驗的對象，是獲得精準試驗數據的前提。傳統的以金屬為材料的高速風洞模型設計與加工周期長、成本高，復雜外形模型成型難，嚴重制約了風洞試驗進度，影響型號研制節點。金屬材料的高速風洞模型因依賴數控切削加工，一方面導致難以控制風洞模型的質量分布與配重比；另一方面導致制造周期長、成本高，以機翼加工為例，數控加工后易引起加工應力，可致使機翼變形，因此通常需安排多次熱處理工序，消除加工殘余應力，從而增加了模型制造周期和成本。 目前高速風洞模型研制周期約占飛行器氣動布局設計周期的70%，已成為提升飛行器概念設計速度和型號研制進度最主要的瓶頸。為了更好適應未來飛行器設計需求、加快型號研制進程，目前高速風洞模型的設計與加工方法急需改進，以便在飛行器設計過程中完成風洞模型的設計、加工與修形并提升設計水平，更好更快地完成風洞試驗，獲得精準試驗數據。光固化快速成型技術能將任意復雜的三維CAD模型離散為一組平行截面累加，這避免了切削加工中出現的幾何干涉和殘余應力現象，因此具有以下優勢
(1)風洞模型的形面加工精度和表面質量高，極適于制造具有復雜形面的飛行器風洞模型；
(2)便于控制風洞模型的質量與剛度分布；
(3)光敏樹脂的比重遠低于金屬材料，故便于制作輕質的高速風洞模型。鑒于此，當前國外的許多風洞實驗研究機構普遍開展基于光固化快速技術的風洞試驗模型設計方法與應用研究，以解決大尺寸高速風洞模型的研制難題，為加快型號研制進程和風洞試驗模型修形等提供技術支持。在快速原型模型成型技術方面，美國和歐洲一直處于領先地位，美國NASA馬歇爾飛行研究中心已驗證光固化快速成型模型進行高速風洞試驗的可行性，結果表明“鋼或鋁制作的模型費用為15000美元、耗時三個半月，而光固化快速成型的輕質風洞模型的制作費在3000到3500美元之間、耗時2 - 3星期，并且質量降至原來的3/4”。歐洲空客在英國布理斯托爾的風洞試驗結果證實“基于光固化快速成型技術的風洞模型的幾何外形更加精確，使其在機翼端部的改進中將升力提高了 3%”。俄羅斯中央流體力學研究院(TsAGI)也有自己獨特的模型加工技術，2009年也從美國引進了模型快速成型設備，初步證實“快速成型技術能以高精度制造出單個的戰斗機風洞模型部件以及復合制造出組合的部件和模型”。光固化快速成型技術的先進性主要體現在CAD/CAM模型設計和加工軟件、模具、材料以及加工技術等方面，尤其是可實現風洞模型的快速成型(如X-33模型幾天成型)，并在風洞試驗過程中根據情況還可對模型實時快速修形，從而使風洞試驗CFD化。這樣，既大大降低模型加工的成本，又縮短模型研制周期。因此，開展光固化快速成型風洞模型設計方法與高速風洞應用研究，發展光固化快速成型風洞模型設計方法、探索高速風洞應用可行性，不僅對解決光固化快速成型風洞模型設計難題、縮短模型加工周期、降低加工成本有重要意義，而且對提高風洞試驗效率、縮短型號研制周期有較大益處。但令人遺憾的是，國內在光固化快速成型的高速風洞模型研制和風洞試驗的相關報道很少。近年來，中國空氣動力研究與發展中心在光固化快速成型高速風洞模型設計理論、方法與應用方面進行了初步的探索性研究，取得了令人鼓舞的研究進展，發現了一些需要深入研究的技術難點和關鍵問題。在前期的研究過程中，基于光敏樹脂比重遠小于金屬材料的優點加工了光敏樹脂快速成型AGARD-B風洞模型，模型質量大大降低，且改變了模型-支撐系統固有頻率，避開跨聲速風洞試驗段氣動脈動的低峰值頻率實現了減振；模型內金屬骨架采用結構簡單、標準的構型，外形采用光固化快速成型的光敏樹脂構型。光固化快速成型的AGARD-B風洞模型驗證試驗結果表明
(1)光固化快速成型高速風洞模型復合結構設計方法基本可行，并取得國家實用新型專利(專利號 ZL200720082763. O)；
(2)縮短模型加工周期約69.5%;
(3)減少模型加工成本約70.3% ;
(4)提高模型一階固有頻率約73.2% ；
(5)減輕模型重量約38.9%。上述情況表明基于光固化快速成型技術的輕質高速風洞模型能應用于高速風洞試驗，但光敏樹脂外形剛度比金屬材料模型低，在高氣動載荷下易變形、靜氣彈效應較明顯，對光固化快速成型高速風洞模型氣動力試驗結果有影響，與金屬模型存在差異，因此目前國內外的光固化快速成型風洞模型還只用于初期氣動外形選型和部件外形選型試驗，在一定程度上目前還不能完全滿足飛行器型號風洞模型研制需求，難以形成工程實用價值。為此，國內外技術人員正在積極開展計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計理論、方法與應用研究，以便將光固化快速成型風洞模型推廣到較精細的氣動選型試驗。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，針對光固化快速成型風洞模型較薄處(如翼尖、機翼邊緣、舵面邊緣等)剛度低、易變形等缺陷，采用氣動/結構耦合分析方法預測模型結構變形與氣動力間的映射關系，通過響應面法搜索模型耦合優化設計氣動外形，使得風洞試驗中模型變形后的氣動外形和需要研究的巡航外形一致，從而獲得模型相應的氣動力特性，并利用典型的大展弦比飛行器模型驗證實例風洞試驗結果驗證該方法的正確性和可行性。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，包括如下步驟
步驟一、建立光固化快速成型風洞模型的CFD/CSD耦合數值計算模型及網格(1)建立描述光固化快速成型模型結構外形的三維結構幾何參數化數據庫，獲得光固化快速成型模型的三維結構示意 (2)對光固化快速成型模型表面進行離散化，劃分模型物面非結構三角形網格，再劃分模型內部結構計算區域網格，完成模型結構分析網格模型的生成；
(3)對光固化快速成型模型表面進行離散化，劃分模型表面結構四邊形網格，再根據模型物面網格外推在數值計算空間區域，劃分流體計算區域分析網格，完成模型物面、邊界層內及空間流體計算區域網格模型的生成；
步驟二、采用CFD/CSD耦合數值軟件預測研究條件下的光固化快速成型模型彈性結構的靜氣動彈性變形
(1)根據結構和流體計算的不同要求，設置光固化快速成型模型結構和流體計算的邊界區域及條件；
(2)將所有學科耦合界面的三維空間節點投影到二維參數空間平面上，進行氣動載荷和結構位移數據傳遞；
(3)進行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合數值計算；
(4)采用雙時間推進技術，在真實的物理時間迭代過程中，調用流體計算軟件獲得光固化快速成型模型物面氣動力載荷，通過耦合數據傳遞方法將氣動載荷參數傳遞于結構分析網格單元，進行結構應力、變形分析，完成一個時間步流體與結構耦合計算；沿著這個時間步長流體和結構分析進入到下一個時間步進行迭代計算；
(5)當流體計算和結構計算過程迭代后的模型變形與氣動力變化滿足設定的約束條件時，則說明基于流體和結構的CFD/CSD耦合計算滿足收斂條件，流體和結構耦合分析過程結束，獲得光固化快速成型模型巡航狀態下的結構外形；
步驟三、基于響應面法搜索光固化快速成型模型的靜氣動彈性變形影響的優化氣動外
形
(1)根據光順自由變形的數值計算網格模型參數化軟件，建立優化計算復雜度可變的形狀優化參數化模型；
(2)利用基于響應面法的光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化軟件，對光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化設計可行域內的擾動進行參數化建模，通過光順自由變形操作得到設計可行域內的最優結構設計；
步驟四、建立光固化快速成型模型風洞試驗模型的復合結構形式，完成模型的設計與加工；
步驟五、光固化快速成型模型氣動特性風洞驗證試驗。所述對光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化設計可行域內的擾動進行參數化建模的方法是對光固化快速成型模型初始外形進行氣動/結構耦合計算，獲得模型收斂外形，得到結構構型承力響應與結構變形，記為
以此為初值，帶入優化設計程序，獲得結構構型沿不同坐標方向變形量系數K木人，得到優化設計參數Δχ^Αι/,Δζ.，公式如下:Ax = tr&x , Ay,
Az = Jfc-Δζ ；
利用基于響應面法的光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化軟件獲得模型結構最優外形。與現有技術相比，本發明的積極效果是針對光固化快速成型輕質風洞模型在氣動載荷作用下，模型較薄處易發生變形，從而導致模型試驗氣動外形與巡航外形存在較大差異的關鍵問題，提出采用氣動/結構耦合優化設計方法建立計及靜氣動彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，通過響應面法尋優處理，獲得理想的模型氣動外形，以滿足高速風洞試驗需求。
具體實施例方式一種計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，包括如下步驟 步驟一、建立光固化快速成型風洞模型的CFD/CSD耦合數值計算模型及網格
(1)建立描述光固化快速成型模型結構外形的三維結構幾何參數化數據庫，獲得光固化快速成型模型三維結構示意圖；
(2)對光固化快速成型模型表面進行離散化，劃分模型物面非結構三角形網格，再劃分模型內部結構計算區域網格，完成模型結構分析網格模型的生成；
(3)對光固化快速成型模型表面進行離散化，劃分模型表面結構四邊形網格，再根據模型物面網格外推在數值計算空間區域，劃分流體計算區域分析網格，完成模型物面、邊界層內及空間流體計算區域網格模型的生成。步驟二、采用CFD/CSD耦合數值軟件預測研究條件下的光固化快速成型模型彈性結構的靜氣動彈性變形
(1)根據結構和流體計算的不同要求，設置光固化快速成型模型結構和流體計算的邊界區域及條件；
(2)首先進行光固化快速成型模型物面結構與流體分析網格匹配關系分析，解決結構計算軟件和流體計算軟件之間計算參數和數據傳遞難題。將所有學科耦合界面的三維空間節點投影到二維參數空間平面上，進行氣動載荷和結構位移數據傳遞；
(3)進行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合數值計算，即利用同一時刻模型物面網格上CFD與CSD網格單元間的拓撲關系恒定，并考慮耦合界面上質量、動量、能量的守恒條件，建立普適性更高的應力應變場/流場耦合物理量(包括位移、速度與加速度)的局部光順通訊方法，解決了 CFD流體物面網格與CSD結構物面網格的不一致及流體與結構網格模型間的數據交換問題。(4)采用雙時間推進技術，在真實的物理時間迭代過程中，調用流體計算軟件獲得光固化快速成型模型物面氣動力載荷，通過耦合數據傳遞方法將氣動載荷參數傳遞于結構分析網格單元，進行結構應力/應變、變形分析，完成一個時間步流體與結構耦合計算 ’沿著這個時間步長流體和結構分析進入到下一個時間步進行迭代計算。(5)當流體計算和結構計算過程迭代后的模型變形與氣動力變化滿足一定的約束條件時，則認為基于流體和結構的CFD/CSD耦合計算滿足收斂條件，流體和結構耦合分析過程結束，便可獲得光固化快速成型模型巡航狀態下的結構外形。步驟三、基于響應面法搜索光固化快速成型模型的靜氣動彈性變形影響的優化氣動外形
(I)針對現有響應面法應用于光固化快速成型模型優化設計時的一些缺點(如設計變量的取值范圍會嚴重影響響應面模型的適應能力，越大的設計空間將會增加響應面的預計誤差，則使得估計流動特征不準確，響應面法的計算成本隨設計變量數目的增加會快速的增長)，根據光順自由變形的數值計算網格模型參數化軟件，建立優化計算復雜度可變的形狀優化參數化模型；
(2)利用基于響應面法的光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化軟件，對光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化設計可行域內的擾動進行參數化建模，通過光順自由變形操作得到設計可行域內的最優結構設計。具體方法是對光固化快速成型模型初始外形進行氣動/結構耦合計算獲得模型收斂外形，掌握結構構型承力響應與結構變形，記為Δτ,Δν,Δζ，以此為初值，帶入
優化設計程序，獲得結構構型沿不同坐標方向變形量系數屹，\，屹，得到優化設計參數
Δτ',Δν',Δζ'，公式如下
A y = JtrAx', Ay = , Δζ = JtrAz
基于響應面法的光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化軟件獲得模型結構最優外形。步驟四、建立光固化快速成型模型風洞試驗模型的復合結構形式，完成模型的設計與加工
(1)根據模型結構外形，完成模型結構復合形式設計，主要是完成描述模型氣動外形的光敏樹脂材料的氣動外形結構與模型內部金屬骨架結構的設計；
(2)完成模型內部金屬骨架結構和光敏樹脂氣動外形結構裝配及模型內部金屬骨架結構和測力天平間的裝配形式設計；
(3)內部金屬骨架結構一般設計形狀較為規則，一方面有利于加工方便、節省加工時間，另一方面有利于進行結構分析，且對規則形狀的分析數據較為可靠，故采用傳統的機械加工方式制造，比如普通車、銑、鉆、線切割等；
(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，表面質量好，能制造形狀復雜、精細的零件，且效率高；材料選用高速液態光敏樹脂，能制作具有高強度、耐高溫、防水等功能的零件；另外，模型的布置和擺放、成型方向直接影響外形的制造精度。故在加工之前，根據模型不同部位的精度要求，將三維結構模型布置和擺放、添加支撐及切層處理，再應用光固化快速成型設備完成加工；
(5)完成模型內部金屬骨架結構和光敏樹脂氣動外形結構加工后，檢查模型外形表面成型精度和質量，完成模型實物的裝配與模型加工質量的檢驗。步驟五、光固化快速成型模型氣動特性風洞驗證試驗
(1)采用結構分析軟件完成光固化快速成型模型強度、剛度校核，在模擬實驗室完成采用地面加載方式完成模型強度和剛度校核；
(2)制定光固化快速成型模型風洞試驗方案設計，包括風洞試驗條件與項目，試驗數據處理方法、試驗誤差分析等；
(3)完成風洞驗證試驗，分析試驗結果，與相關的參考文獻及全金屬模型試驗結果進行比對，驗證優化設計方法的可行性與正確性。
權利要求
1.一種計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一、建立光固化快速成型風洞模型的CFD/CSD耦合數值計算模型及網格 (1)建立描述光固化快速成型模型結構外形的三維結構幾何參數化數據庫，獲得光固化快速成型模型的三維結構示意圖； (2)對光固化快速成型模型表面進行離散化，劃分模型物面非結構三角形網格，再劃分模型內部結構計算區域網格，完成模型結構分析網格模型的生成； (3)對光固化快速成型模型表面進行離散化，劃分模型表面結構四邊形網格，再根據模型物面網格外推在數值計算空間區域，劃分流體計算區域分析網格，完成模型物面、邊界層內及空間流體計算區域網格模型的生成； 步驟二、采用CFD/CSD耦合數值軟件預測研究條件下的光固化快速成型模型彈性結構的靜氣動彈性變形 (1)根據結構和流體計算的不同要求，設置光固化快速成型模型結構和流體計算的邊界區域及條件； (2)將所有學科耦合界面的三維空間節點投影到二維參數空間平面上，進行氣動載荷和結構位移數據傳遞； (3)進行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合數值計算； (4)采用雙時間推進技術，在真實的物理時間迭代過程中，調用流體計算軟件獲得光固化快速成型模型物面氣動力載荷，通過耦合數據傳遞方法將氣動載荷參數傳遞于結構分析網格單元，進行結構應力、變形分析，完成一個時間步流體與結構耦合計算；沿著這個時間步長流體和結構分析進入到下一個時間步進行迭代計算； (5)當流體計算和結構計算過程迭代后的模型變形與氣動力變化滿足設定的約束條件時，則說明基于流體和結構的CFD/CSD耦合計算滿足收斂條件，流體和結構耦合分析過程結束，獲得光固化快速成型模型巡航狀態下的結構外形； 步驟三、基于響應面法搜索光固化快速成型模型的靜氣動彈性變形影響的優化氣動外形 (1)根據光順自由變形的數值計算網格模型參數化軟件，建立優化計算復雜度可變的形狀優化參數化模型； (2)利用基于響應面法的光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化軟件，對光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化設計可行域內的擾動進行參數化建模，通過光順自由變形操作得到設計可行域內的最優結構設計； 步驟四、建立光固化快速成型模型風洞試驗模型的復合結構形式，完成模型的設計與加工； 步驟五、光固化快速成型模型氣動特性風洞驗證試驗。
2.根據權利要求I所述的計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，其特征在于所述對光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化設計可行域內的擾動進行參數化建模的方法是對光固化快速成型模型初始外形進行氣動/結構耦合計算，獲得模型收斂外形，得到結構構型承力響應與結構變形，記為A*,Ay,Az ,以此為初值，帶入優化設計程序，獲得結構構型沿不同坐標方向變形量系數 得到優化設計參數Δλ^Δ^Δζ',公式如下 Δχ = SliAx , Ay := iy&y, Δζ" = IsxAz ； 利用基于響應面法的光固化快速成型模型氣動/結構耦合優化軟件獲得模型結構最優外形。
全文摘要
本發明公開了一種計及靜彈性變形影響的光固化快速成型風洞模型設計方法，針對光固化快速成型風洞模型較薄處(如翼尖、機翼邊緣、舵面邊緣等)剛度低、易變形等缺陷，采用氣動/結構耦合分析方法預測模型結構變形與氣動力間的映射關系，通過響應面法搜索模型耦合優化設計氣動外形，使得風洞試驗中模型變形后的氣動外形和需要研究的巡航外形一致，從而獲得模型相應的氣動力特性，并利用典型的大展弦比飛行器模型驗證實例風洞試驗結果驗證該方法的正確性和可行性。
文檔編號G06F17/50GK102867097SQ20121036197
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者楊黨國, 張征宇, 王超, 孫巖, 梁錦敏, 張詣, 李耀華 申請人:中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所