專利名稱：計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)洞模型是風(fēng)洞試驗(yàn)的對象，是獲得精準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提。傳統(tǒng)的以金屬為材料的高速風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)與加工周期長、成本高，復(fù)雜外形模型成型難，嚴(yán)重制約了風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)度，影響型號研制節(jié)點(diǎn)。金屬材料的高速風(fēng)洞模型因依賴數(shù)控切削加工，一方面導(dǎo)致難以控制風(fēng)洞模型的質(zhì)量分布與配重比；另一方面導(dǎo)致制造周期長、成本高，以機(jī)翼加工為例，數(shù)控加工后易引起加工應(yīng)力，可致使機(jī)翼變形，因此通常需安排多次熱處理工序，消除加工殘余應(yīng)力，從而增加了模型制造周期和成本。 目前高速風(fēng)洞模型研制周期約占飛行器氣動布局設(shè)計(jì)周期的70%，已成為提升飛行器概念設(shè)計(jì)速度和型號研制進(jìn)度最主要的瓶頸。為了更好適應(yīng)未來飛行器設(shè)計(jì)需求、加快型號研制進(jìn)程，目前高速風(fēng)洞模型的設(shè)計(jì)與加工方法急需改進(jìn)，以便在飛行器設(shè)計(jì)過程中完成風(fēng)洞模型的設(shè)計(jì)、加工與修形并提升設(shè)計(jì)水平，更好更快地完成風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得精準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。光固化快速成型技術(shù)能將任意復(fù)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(xiàn)的幾何干涉和殘余應(yīng)力現(xiàn)象，因此具有以下優(yōu)勢
(1)風(fēng)洞模型的形面加工精度和表面質(zhì)量高，極適于制造具有復(fù)雜形面的飛行器風(fēng)洞模型；
(2)便于控制風(fēng)洞模型的質(zhì)量與剛度分布；
(3)光敏樹脂的比重遠(yuǎn)低于金屬材料，故便于制作輕質(zhì)的高速風(fēng)洞模型。鑒于此，當(dāng)前國外的許多風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)普遍開展基于光固化快速技術(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)方法與應(yīng)用研究，以解決大尺寸高速風(fēng)洞模型的研制難題，為加快型號研制進(jìn)程和風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ托扌蔚忍峁┘夹g(shù)支持。在快速原型模型成型技術(shù)方面，美國和歐洲一直處于領(lǐng)先地位，美國NASA馬歇爾飛行研究中心已驗(yàn)證光固化快速成型模型進(jìn)行高速風(fēng)洞試驗(yàn)的可行性，結(jié)果表明“鋼或鋁制作的模型費(fèi)用為15000美元、耗時三個半月，而光固化快速成型的輕質(zhì)風(fēng)洞模型的制作費(fèi)在3000到3500美元之間、耗時2 - 3星期，并且質(zhì)量降至原來的3/4”。歐洲空客在英國布理斯托爾的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)“基于光固化快速成型技術(shù)的風(fēng)洞模型的幾何外形更加精確，使其在機(jī)翼端部的改進(jìn)中將升力提高了 3%”。俄羅斯中央流體力學(xué)研究院(TsAGI)也有自己獨(dú)特的模型加工技術(shù)，2009年也從美國引進(jìn)了模型快速成型設(shè)備，初步證實(shí)“快速成型技術(shù)能以高精度制造出單個的戰(zhàn)斗機(jī)風(fēng)洞模型部件以及復(fù)合制造出組合的部件和模型”。光固化快速成型技術(shù)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在CAD/CAM模型設(shè)計(jì)和加工軟件、模具、材料以及加工技術(shù)等方面，尤其是可實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞模型的快速成型(如X-33模型幾天成型)，并在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中根據(jù)情況還可對模型實(shí)時快速修形，從而使風(fēng)洞試驗(yàn)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(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法與高速風(fēng)洞應(yīng)用研究，發(fā)展光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法、探索高速風(fēng)洞應(yīng)用可行性，不僅對解決光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)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(fēng)洞試驗(yàn)效率、縮短型號研制周期有較大益處。但令人遺憾的是，國內(nèi)在光固化快速成型的高速風(fēng)洞模型研制和風(fēng)洞試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道很少。近年來，中國空氣動力研究與發(fā)展中心在光固化快速成型高速風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)理論、方法與應(yīng)用方面進(jìn)行了初步的探索性研究，取得了令人鼓舞的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一些需要深入研究的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問題。在前期的研究過程中，基于光敏樹脂比重遠(yuǎn)小于金屬材料的優(yōu)點(diǎn)加工了光敏樹脂快速成型AGARD-B風(fēng)洞模型，模型質(zhì)量大大降低，且改變了模型-支撐系統(tǒng)固有頻率，避開跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段氣動脈動的低峰值頻率實(shí)現(xiàn)了減振；模型內(nèi)金屬骨架采用結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)型，外形采用光固化快速成型的光敏樹脂構(gòu)型。光固化快速成型的AGARD-B風(fēng)洞模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明
(1)光固化快速成型高速風(fēng)洞模型復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法基本可行，并取得國家實(shí)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(shù)的輕質(zhì)高速風(fēng)洞模型能應(yīng)用于高速風(fēng)洞試驗(yàn)，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(yīng)較明顯，對光固化快速成型高速風(fēng)洞模型氣動力試驗(yàn)結(jié)果有影響，與金屬模型存在差異，因此目前國內(nèi)外的光固化快速成型風(fēng)洞模型還只用于初期氣動外形選型和部件外形選型試驗(yàn)，在一定程度上目前還不能完全滿足飛行器型號風(fēng)洞模型研制需求，難以形成工程實(shí)用價(jià)值。為此，國內(nèi)外技術(shù)人員正在積極開展計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)理論、方法與應(yīng)用研究，以便將光固化快速成型風(fēng)洞模型推廣到較精細(xì)的氣動選型試驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法，針對光固化快速成型風(fēng)洞模型較薄處(如翼尖、機(jī)翼邊緣、舵面邊緣等)剛度低、易變形等缺陷，采用氣動/結(jié)構(gòu)耦合分析方法預(yù)測模型結(jié)構(gòu)變形與氣動力間的映射關(guān)系，通過響應(yīng)面法搜索模型耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)氣動外形，使得風(fēng)洞試驗(yàn)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(yīng)的氣動力特性，并利用典型的大展弦比飛行器模型驗(yàn)證實(shí)例風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方法的正確性和可行性。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟
步驟一、建立光固化快速成型風(fēng)洞模型的CFD/CSD耦合數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格(1)建立描述光固化快速成型模型結(jié)構(gòu)外形的三維結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，獲得光固化快速成型模型的三維結(jié)構(gòu)示意 (2)對光固化快速成型模型表面進(jìn)行離散化，劃分模型物面非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，再劃分模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格，完成模型結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型的生成；
(3)對光固化快速成型模型表面進(jìn)行離散化，劃分模型表面結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，再根據(jù)模型物面網(wǎng)格外推在數(shù)值計(jì)算空間區(qū)域，劃分流體計(jì)算區(qū)域分析網(wǎng)格，完成模型物面、邊界層內(nèi)及空間流體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型的生成；
步驟二、采用CFD/CSD耦合數(shù)值軟件預(yù)測研究條件下的光固化快速成型模型彈性結(jié)構(gòu)的靜氣動彈性變形
(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算的不同要求，設(shè)置光固化快速成型模型結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算的邊界區(qū)域及條件；
(2)將所有學(xué)科耦合界面的三維空間節(jié)點(diǎn)投影到二維參數(shù)空間平面上，進(jìn)行氣動載荷和結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)傳遞；
(3)進(jìn)行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合數(shù)值計(jì)算；
(4)采用雙時間推進(jìn)技術(shù)，在真實(shí)的物理時間迭代過程中，調(diào)用流體計(jì)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(shù)據(jù)傳遞方法將氣動載荷參數(shù)傳遞于結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格單元，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析，完成一個時間步流體與結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算；沿著這個時間步長流體和結(jié)構(gòu)分析進(jìn)入到下一個時間步進(jìn)行迭代計(jì)算；
(5)當(dāng)流體計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算過程迭代后的模型變形與氣動力變化滿足設(shè)定的約束條件時，則說明基于流體和結(jié)構(gòu)的CFD/CSD耦合計(jì)算滿足收斂條件，流體和結(jié)構(gòu)耦合分析過程結(jié)束，獲得光固化快速成型模型巡航狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)外形；
步驟三、基于響應(yīng)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(yōu)化氣動外
形
(1)根據(jù)光順自由變形的數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型參數(shù)化軟件，建立優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜度可變的形狀優(yōu)化參數(shù)化模型；
(2)利用基于響應(yīng)面法的光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化軟件，對光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的擾動進(jìn)行參數(shù)化建模，通過光順自由變形操作得到設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
步驟四、建立光固化快速成型模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹?fù)合結(jié)構(gòu)形式，完成模型的設(shè)計(jì)與加工；
步驟五、光固化快速成型模型氣動特性風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)。所述對光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的擾動進(jìn)行參數(shù)化建模的方法是對光固化快速成型模型初始外形進(jìn)行氣動/結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，獲得模型收斂外形，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)型承力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)變形，記為
以此為初值，帶入優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)型沿不同坐標(biāo)方向變形量系數(shù)K木人，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)Δχ^Αι/,Δζ.，公式如下:Ax = tr&x , Ay,
Az = Jfc-Δζ ；
利用基于響應(yīng)面法的光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化軟件獲得模型結(jié)構(gòu)最優(yōu)外形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是針對光固化快速成型輕質(zhì)風(fēng)洞模型在氣動載荷作用下，模型較薄處易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致模型試驗(yàn)氣動外形與巡航外形存在較大差異的關(guān)鍵問題，提出采用氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法建立計(jì)及靜氣動彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法，通過響應(yīng)面法尋優(yōu)處理，獲得理想的模型氣動外形，以滿足高速風(fēng)洞試驗(yàn)需求。
具體實(shí)施例方式一種計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟 步驟一、建立光固化快速成型風(fēng)洞模型的CFD/CSD耦合數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格
(1)建立描述光固化快速成型模型結(jié)構(gòu)外形的三維結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，獲得光固化快速成型模型三維結(jié)構(gòu)示意圖；
(2)對光固化快速成型模型表面進(jìn)行離散化，劃分模型物面非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，再劃分模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格，完成模型結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型的生成；
(3)對光固化快速成型模型表面進(jìn)行離散化，劃分模型表面結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，再根據(jù)模型物面網(wǎng)格外推在數(shù)值計(jì)算空間區(qū)域，劃分流體計(jì)算區(qū)域分析網(wǎng)格，完成模型物面、邊界層內(nèi)及空間流體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型的生成。步驟二、采用CFD/CSD耦合數(shù)值軟件預(yù)測研究條件下的光固化快速成型模型彈性結(jié)構(gòu)的靜氣動彈性變形
(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算的不同要求，設(shè)置光固化快速成型模型結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算的邊界區(qū)域及條件；
(2)首先進(jìn)行光固化快速成型模型物面結(jié)構(gòu)與流體分析網(wǎng)格匹配關(guān)系分析，解決結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件和流體計(jì)算軟件之間計(jì)算參數(shù)和數(shù)據(jù)傳遞難題。將所有學(xué)科耦合界面的三維空間節(jié)點(diǎn)投影到二維參數(shù)空間平面上，進(jìn)行氣動載荷和結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)傳遞；
(3)進(jìn)行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合數(shù)值計(jì)算，即利用同一時刻模型物面網(wǎng)格上CFD與CSD網(wǎng)格單元間的拓?fù)潢P(guān)系恒定，并考慮耦合界面上質(zhì)量、動量、能量的守恒條件，建立普適性更高的應(yīng)力應(yīng)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(wǎng)格與CSD結(jié)構(gòu)物面網(wǎng)格的不一致及流體與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型間的數(shù)據(jù)交換問題。(4)采用雙時間推進(jìn)技術(shù)，在真實(shí)的物理時間迭代過程中，調(diào)用流體計(jì)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(shù)據(jù)傳遞方法將氣動載荷參數(shù)傳遞于結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格單元，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變、變形分析，完成一個時間步流體與結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算 ’沿著這個時間步長流體和結(jié)構(gòu)分析進(jìn)入到下一個時間步進(jìn)行迭代計(jì)算。(5)當(dāng)流體計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)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(rèn)為基于流體和結(jié)構(gòu)的CFD/CSD耦合計(jì)算滿足收斂條件，流體和結(jié)構(gòu)耦合分析過程結(jié)束，便可獲得光固化快速成型模型巡航狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)外形。步驟三、基于響應(yīng)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(yōu)化氣動外形
(I)針對現(xiàn)有響應(yīng)面法應(yīng)用于光固化快速成型模型優(yōu)化設(shè)計(jì)時的一些缺點(diǎn)(如設(shè)計(jì)變量的取值范圍會嚴(yán)重影響響應(yīng)面模型的適應(yīng)能力，越大的設(shè)計(jì)空間將會增加響應(yīng)面的預(yù)計(jì)誤差，則使得估計(jì)流動特征不準(zhǔn)確，響應(yīng)面法的計(jì)算成本隨設(shè)計(jì)變量數(shù)目的增加會快速的增長)，根據(jù)光順自由變形的數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型參數(shù)化軟件，建立優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜度可變的形狀優(yōu)化參數(shù)化模型；
(2)利用基于響應(yīng)面法的光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化軟件，對光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的擾動進(jìn)行參數(shù)化建模，通過光順自由變形操作得到設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體方法是對光固化快速成型模型初始外形進(jìn)行氣動/結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算獲得模型收斂外形，掌握結(jié)構(gòu)構(gòu)型承力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)變形，記為Δτ,Δν,Δζ，以此為初值，帶入
優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)型沿不同坐標(biāo)方向變形量系數(shù)屹，\，屹，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)
Δτ',Δν',Δζ'，公式如下
A y = JtrAx', Ay = , Δζ = JtrAz
基于響應(yīng)面法的光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化軟件獲得模型結(jié)構(gòu)最優(yōu)外形。步驟四、建立光固化快速成型模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹?fù)合結(jié)構(gòu)形式，完成模型的設(shè)計(jì)與加工
(1)根據(jù)模型結(jié)構(gòu)外形，完成模型結(jié)構(gòu)復(fù)合形式設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)與模型內(nèi)部金屬骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
(2)完成模型內(nèi)部金屬骨架結(jié)構(gòu)和光敏樹脂氣動外形結(jié)構(gòu)裝配及模型內(nèi)部金屬骨架結(jié)構(gòu)和測力天平間的裝配形式設(shè)計(jì)；
(3)內(nèi)部金屬骨架結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)形狀較為規(guī)則，一方面有利于加工方便、節(jié)省加工時間，另一方面有利于進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，且對規(guī)則形狀的分析數(shù)據(jù)較為可靠，故采用傳統(tǒng)的機(jī)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(zhì)量好，能制造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件，且效率高；材料選用高速液態(tài)光敏樹脂，能制作具有高強(qiáng)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(jù)模型不同部位的精度要求，將三維結(jié)構(gòu)模型布置和擺放、添加支撐及切層處理，再應(yīng)用光固化快速成型設(shè)備完成加工；
(5)完成模型內(nèi)部金屬骨架結(jié)構(gòu)和光敏樹脂氣動外形結(jié)構(gòu)加工后，檢查模型外形表面成型精度和質(zhì)量，完成模型實(shí)物的裝配與模型加工質(zhì)量的檢驗(yàn)。步驟五、光固化快速成型模型氣動特性風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)
(1)采用結(jié)構(gòu)分析軟件完成光固化快速成型模型強(qiáng)度、剛度校核，在模擬實(shí)驗(yàn)室完成采用地面加載方式完成模型強(qiáng)度和剛度校核；
(2)制定光固化快速成型模型風(fēng)洞試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，包括風(fēng)洞試驗(yàn)條件與項(xiàng)目，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法、試驗(yàn)誤差分析等；
(3)完成風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，與相關(guān)的參考文獻(xiàn)及全金屬模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性與正確性。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)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(fēng)洞模型的CFD/CSD耦合數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格 (1)建立描述光固化快速成型模型結(jié)構(gòu)外形的三維結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，獲得光固化快速成型模型的三維結(jié)構(gòu)示意圖； (2)對光固化快速成型模型表面進(jìn)行離散化，劃分模型物面非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，再劃分模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格，完成模型結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型的生成； (3)對光固化快速成型模型表面進(jìn)行離散化，劃分模型表面結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，再根據(jù)模型物面網(wǎng)格外推在數(shù)值計(jì)算空間區(qū)域，劃分流體計(jì)算區(qū)域分析網(wǎng)格，完成模型物面、邊界層內(nèi)及空間流體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型的生成； 步驟二、采用CFD/CSD耦合數(shù)值軟件預(yù)測研究條件下的光固化快速成型模型彈性結(jié)構(gòu)的靜氣動彈性變形 (1)根據(jù)結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算的不同要求，設(shè)置光固化快速成型模型結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算的邊界區(qū)域及條件； (2)將所有學(xué)科耦合界面的三維空間節(jié)點(diǎn)投影到二維參數(shù)空間平面上，進(jìn)行氣動載荷和結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù)傳遞； (3)進(jìn)行光固化快速成型模型CFD/CSD耦合數(shù)值計(jì)算； (4)采用雙時間推進(jìn)技術(shù)，在真實(shí)的物理時間迭代過程中，調(diào)用流體計(jì)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(shù)據(jù)傳遞方法將氣動載荷參數(shù)傳遞于結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格單元，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析，完成一個時間步流體與結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算；沿著這個時間步長流體和結(jié)構(gòu)分析進(jìn)入到下一個時間步進(jìn)行迭代計(jì)算； (5)當(dāng)流體計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算過程迭代后的模型變形與氣動力變化滿足設(shè)定的約束條件時，則說明基于流體和結(jié)構(gòu)的CFD/CSD耦合計(jì)算滿足收斂條件，流體和結(jié)構(gòu)耦合分析過程結(jié)束，獲得光固化快速成型模型巡航狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)外形； 步驟三、基于響應(yīng)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(yōu)化氣動外形 (1)根據(jù)光順自由變形的數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型參數(shù)化軟件，建立優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜度可變的形狀優(yōu)化參數(shù)化模型； (2)利用基于響應(yīng)面法的光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化軟件，對光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的擾動進(jìn)行參數(shù)化建模，通過光順自由變形操作得到設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 步驟四、建立光固化快速成型模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹?fù)合結(jié)構(gòu)形式，完成模型的設(shè)計(jì)與加工； 步驟五、光固化快速成型模型氣動特性風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述對光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)可行域內(nèi)的擾動進(jìn)行參數(shù)化建模的方法是對光固化快速成型模型初始外形進(jìn)行氣動/結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，獲得模型收斂外形，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)型承力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)變形，記為A*,Ay,Az ,以此為初值，帶入優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)型沿不同坐標(biāo)方向變形量系數(shù) 得到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)Δλ^Δ^Δζ',公式如下 Δχ = SliAx , Ay := iy&y, Δζ" = IsxAz ； 利用基于響應(yīng)面法的光固化快速成型模型氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化軟件獲得模型結(jié)構(gòu)最優(yōu)外形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計(jì)及靜彈性變形影響的光固化快速成型風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)方法，針對光固化快速成型風(fēng)洞模型較薄處(如翼尖、機(jī)翼邊緣、舵面邊緣等)剛度低、易變形等缺陷，采用氣動/結(jié)構(gòu)耦合分析方法預(yù)測模型結(jié)構(gòu)變形與氣動力間的映射關(guān)系，通過響應(yīng)面法搜索模型耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)氣動外形，使得風(fēng)洞試驗(yàn)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(yīng)的氣動力特性，并利用典型的大展弦比飛行器模型驗(yàn)證實(shí)例風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者楊黨國, 張征宇, 王超, 孫巖, 梁錦敏, 張?jiān)? 李耀華 申請人:中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所