3D打印飞机颤振风洞试验模型设计与应用
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作者:胡家亮 吴江鹏 脱朝智 张辉 胡鑫 沈恩楠
摘要：颤振风洞试验是飞机气动弹性设计中的必要手段，随着先进飞机对气动弹性品质要求的不断提高，通过颤振风洞试验进行快速结构选参的需求更加迫切，为实现多样化的变参设计需求并压缩模型设计、制造周期，探索并发展了一种基于3D打印技术的低速颤振模型设计方法。针对某机翼变刚度低速颤振风洞试验要求，采用3D打印结构相似颤振模型方案，通过可拆卸蒙皮设计实现模型局部刚度可变，完成了模型结构设计、综合优化、制造和风洞试验，研究了机翼颤振耦合机理和局部刚度对颤振特性的影响，验证了3D打印颤振模型设计方法的可行性和有效性。
关键词：3D打印；颤振；模型设计；优化设计；风洞试验；低速风洞
中图分类号：V211.47文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.09.005
颤振模型风洞试验（wind tunnel test，WTT）是高性能作战飞机气动弹性设计中必不可少的重要环节[1]，低速颤振模型风洞试验的目的：一方面是研究设计参数的影响，选择设计方案；另一方面是校核颤振计算并验证理论计算方法[2-3]。这就要求颤振模型能够尽可能准确地模拟实物的参数。近年来，国内外在缩比模型颤振飞行试验和地面颤振试验（ground flutter test，GFT）方面展开不断探索[4-8]，多元化的颤振试验方法有望在未来取得工程应用，而上述试验中所使用的机体结构气动弹性模型与颤振风洞试验模型的设计要求和方法一致。
俄罗斯中央空气流体动力学研究院（TsAGI）对结构动力学相似模型的设计有比较丰富的经验，形成了完整的颤振模型设计方法[9]。国内在颤振设计与风洞试验方面的研究始于20世纪60―70年代，经过多年的研究和工程应用，形成了较为成熟的模型设计技术和试验方法[2]。
近年来，随着作战飞机性能需求不断提高、设计体系的不断完善和研制流程不断成熟，在飞机设计早期通过引导性颤振试验进行快速结构参数选取的需求更为迫切，这就要求颤振模型需要在实现更多变参可能的同时进一步缩短设计、制造周期，这对颤振模型设计方法提出了新的挑战。
随着3D打印技术的不断发展，其逐渐被应用于制造业、生物医学、建筑行业、机器人设计和航空航天等多个领域[10-14]，其设计定制化、加工一体化、低成本和短周期等技术优势为颤振模型快速、可变参设计和制造需求提供了一种可能的技术途径。目前，国外已初步开展了3D打印技术在气动弹性设计领域的应用研究，Pankonien等利用3D打印技术设计并制造的低速颤振试验模型，在X-56A飞机机翼颤振风洞试验中得以应用，通过地面共振试验和颤振风洞试验验证了模型的有效性和设计方法的可行性，并在该模型的基础上进一步开展了颤振主动抑制等相关问题的研究[15-18]。国内相关研究未见披露。
本文从颤振模型局部3D打印设计与应用探索出发，探讨了3D打印颤振模型的可行性，以某机翼为例设计并制造了全3D打印颤振模型，实现了机翼结构局部刚度选参设计，通过地面共振试验和颤振风洞试验验证了模型设计方法的有效性。
1颤振模型局部3D打印设计与应用探索
常规低速颤振模型多采用“金属梁架+木质/硬质泡沫维形盒段”的结构形式，为探索3D打印结构应用于颤振模型的可行性，尝试并验证其装配方式、材料特性和加工精度等问题给模型设计和颤振试验可能带来的影响，在多次模型设计过程中，采用光敏树脂3D打印结构局部替代常规低速颤振模型的维形盒段、操纵面和部分主结构，在颤振风洞试验中进行验证。
图1为3D打印结构维形盒段，盒段与金属梁架相连接。图2为3D打印结构相似操纵面，其内部结构模拟真实结构传力路线，装配方式与常规模型操纵面相同，通过弹簧片与主翼面相连。图3为3D打印局部主结构，由梁、肋、蒙皮、配重槽和接头等设计元素构成，一次加工成形，与主结构其余部分采用多种形式混合连接。
在颤振风洞试验中，上述局部结构均能取代原模型结构，实现相应功能，局部替代后模型的颤振风洞试验结果与原模型基本一致。
表1给出了3D打印局部主结构替代后的模型地面共振试验结果与原模型的对比，两件模型固有频率基本一致。表中频率数据按原模型第一阶模态频率数值归一化处理。图4给出了某翼面安装3D打印结构相似操纵面状态颤振模型风洞试验结果及其与原模型的对比，随操纵面旋转频率变化，两件模型颤振速度及其变化规律一致。图中频率、速度数据按标准状态操纵面旋转频率数值归一化处理。
在3D打印局部Y构设计、制造、装配和试验过程中，证实了采用多种混合连接的装配方式的可行性，获得了光敏树脂3D打印结构的相关材料特性以进一步完善仿真分析，验证了当前加工精度对模型动力学特性的影响在可接受范围内。
在上述局部3D打印设计与应用研究的基础上总结设计与制造经验，发展了全3D打印低速颤振模型设计方法，以某机翼颤振模型为例，设计并制造了全3D打印结构相似低速颤振模型，进一步在风洞试验中验证3D打印技术应用于颤振模型设计的可行性。
2机翼3D打印颤振模型设计、优化与制造
2.1机翼结构有限元模型及亚声速颤振特性计算
以某全机结构有限元模型（FEM）为原准进行模态分析，获得全机状态下的机翼模态，如图5所示。在全机FEM基础上，采用偶极子格网法（DLM）进行颤振计算，获得机翼颤振特性如图6所示，图6中，f为频率，g为阻尼，V为速度。图中及下文中的频率、速度、尺寸、重量等数据按原准缩比第1阶模态频率数值归一化处理。颤振特性计算结果表明，机翼的颤振特性为典型的弯扭颤振耦合，前4阶机翼模态对颤振有不同程度的贡献。
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2.2模型的设计与优化
采用单独部件方案实现模型设计并验证机翼的颤振特性，要求机翼颤振模型的前4阶模态频率、振型与原准相似，同时要实现模型局部刚度可变设计，为飞机机翼结构气动弹性优化设计提供数据支撑。
常规低速颤振模型采用“金属梁架+木质/硬质泡沫维形盒段”的结构形式，难以通过简单、易行的设计、装配过程实现上述要求，因此须采用全3D打印结构相似模型方案进行机翼模型设计。全3D打印机翼结构相似模型由上下蒙皮、梁、肋、桁条、操纵面等构成，其主要承力结构布置与真实机翼基本一致，模型所有构件均采用光敏树脂材料，应用立体平版印刷技术（SLA）快速打印成形构造多组弹性梁模拟机身对机翼的支持刚度，与机翼结构相似模型一同进行缩比等效。机翼结构相似模型的典型剖面如图7所示，按照结构相似颤振模型的力学假设[19]进行模型的缩比简化与设计优化[20]，模型设计流程如图8所示。
缩比等效后的简化FEM的模态频率、振型与原准必定存在一定的误差，为降低误差使模型满足动力学相似设计要求，采用模型综合优化设计技术对模型进行调整。
模型结构综合优化设计采用敏度分析与自适应遗传算法优化结合的方式进行，首先通过敏度分析选择重要设计变量并调整确定设计变量的变化域，然后采用自适应遗传算法进行结构综合优化[21-22]。设计变量选取模型的梁截面尺寸、蒙皮厚度共14个。优化目标是在颤振、柔度和模态与原准的误差满足设计要求的约束下，使模型结构重量最小。
由计算结果可以看出，优化后的模型动力学特性及颤振速度与原准相近，满足设计要求，优化后的模型梁截面尺寸、蒙皮厚度对比如图9所示。
2.3模型可变刚度结构设计
结构相似模型由梁、肋和蒙皮组成多闭室结构承受载荷，上、下蒙皮对模型的刚度贡献很大，因此为实现模型局部刚度可变设计要求，依据敏度分析结果选取对颤振特性影响显著的局部6个区域蒙皮进行可变刚度设计，如图9（d）所示。局部蒙皮厚度同时变化对模型颤振特性的影响计算结果如图10所示，当局部蒙皮厚度系数在0.8～1.5变化时，颤振速度随之变化约10%。
通过可拆卸设计实现局部6个区域蒙皮厚度独立可变，各区域蒙皮通过边缘多组螺钉与模型内部骨架连接，如图11所示。在风洞试验中可通过6个区域蒙皮厚度的不同组合进行局部区域刚度对颤振特性的影响的试验研究，进而摸清局部刚度对真实机翼颤振特性的影响，为机翼结构气动弹性优化设计提供支撑。
2.4基于3D打印技术的模型制造和风洞模型的仿真建模
机翼结构相似模型采用光敏树脂材料，主体结构和可拆卸蒙皮分别通过3D打印技术一体化加工成形，模拟机身支持刚度的弹性梁采用金属合金机制造并与主体结构连接。其中模型主体结构包括模型的梁、肋、蒙皮（不可拆卸部分）、桁条、操纵面和部分配重。同常规颤振模型相比，基于3D打印技术的主体结构制造周期大幅缩减约50%。
根据风洞模型的实际结构尺寸、重量和材料特性，建立了风洞模型结构动力学仿真FEM，用于对实物模型进行校核计算并为模型制造和风洞试验提供仿真数据支撑。3D打印机翼结构相似颤振模型如图12所示，实际典型尺寸及重量与设计值对比见表3。
3颤振模型风洞试验结果
在中国航天空气动力技术研究院的FD-09风洞进行颤振模型风洞试验，机翼结构相似模型表现为典型的弯扭耦合型颤振，风洞试验中颤振过程的模型结构加速度时域历程如图13所示。通过变参数试验获得了模型颤振速度与各区域局部刚度的关系，模型颤振风洞试验结果随三个典型区域蒙皮厚度变化规律如图14所示，其中颤振速度比为某状态与标准状态颤振速度试验结果的比值。
4结论
通过研究，可以得出以下结论：
（1）发展了一种基于3D打印技术的低速颤振模型设计技术，针对某机翼，完成了结构相似颤振模型设计、优化和制造，成功地取得了颤振风洞试验应用。
（2）与常规低速颤振模型相比，3D打印颤振模型具有可设计性强、制造周期短等显著优势。应用3D打印技术，一方面可以利用传统制造工艺难以实现的复杂结构形式进行设计，以实现模型局部刚度变参等特殊功能；另一方面以 3D打印制造工艺取代常规模型制造中采用的传统金属、非金属制造工艺，使得模型制造周期大幅缩减，对于模型主体结构可s减约50%。
（3）机翼3D打印颤振模型风洞试验结果可作为机翼颤振机理和颤振设计的重要参考，通过颤振风洞试验应用，验证了3D打印颤振模型设计技术的可行性和有效性。
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⒖嘉南
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Design and Application of 3D Printed Aircraft Flutter Wind Tunnel Test Model
Hu Jialiang，Wu Jiangpeng，Tuo Chaozhi，Zhang Hui，Hu Xin，Shen En’nan
AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China
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Abstract： Flutter wind tunnel test is a necessary technique in the aeroelasticity design of aircraft. With the increasing requirement of aeroelastic quality of advanced aircraft， it is more urgent to rapid structural parameter design by flutter wind tunnel test. In order to achieve the requirements for structural parameter design and simultaneously reduce the design and manufacturing period of flutter model， a low-speed flutter model design method based on 3D printing technology is explored and developed. According to the low-speed flutter wind tunnel test requirements of a wing variable stiffness， the 3D printed structural similarity flutter model scheme is adopted， and the local stiffness of the model is variable by removable local skin design. The structural design， integrated optimization， manufacture and wind tunnel test of the model are performed. Flutter coupling mechanism and the effects of local stiffness on flutter characteristic of the wing are studied. The feasibility and validity of the 3D printed flutter model design method are verified.
Key Words： 3D printing； flutter； model design； optimization design； wind tunnel test； low-speed wind tunnel
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