向光偉, 王 超, 萬利強(qiáng), 米 鵬, 王樹民

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

基于3D打印的風(fēng)洞應(yīng)變天平防護(hù)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

向光偉*, 王 超, 萬利強(qiáng), 米 鵬, 王樹民

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

應(yīng)變天平是風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)中的主要測(cè)量設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和運(yùn)行效率具有重要影響。為了提高天平自身的防護(hù)性能，減少試驗(yàn)運(yùn)行過程中的天平故障概率，提出了基于3D打印風(fēng)洞應(yīng)變天平防護(hù)裝置的快速開發(fā)方法。分析了天平防護(hù)裝置的需求，研究了3D打印天平防護(hù)裝置的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)因素與研制流程。開展了3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證和風(fēng)洞試驗(yàn)天平防護(hù)裝置研制2方面研究。分別設(shè)計(jì)了整體式水冷罩和組合式桿式天平防護(hù)裝置。對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的天平水冷罩，3D打印技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。通過3D打印技術(shù)完成桿式天平防護(hù)裝置研制，在風(fēng)洞試驗(yàn)中對(duì)所使用的天平進(jìn)行了防護(hù)應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明，防護(hù)裝置可有效避免應(yīng)變計(jì)及線路在校準(zhǔn)、運(yùn)輸、模型裝配和試驗(yàn)過程中損壞。相比傳統(tǒng)機(jī)械加工，3D打印天平防護(hù)裝置不僅能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證，而且可大幅降低加工周期和成本，促進(jìn)了天平綜合性能的提升。

3D打印；應(yīng)變天平；天平防護(hù)；設(shè)計(jì)驗(yàn)證；設(shè)計(jì)因素

0 引 言

應(yīng)變天平廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)中，以測(cè)量作用在模型上空氣動(dòng)力載荷的大小、方向和作用點(diǎn)。長期以來，應(yīng)變天平工作環(huán)境復(fù)雜，振動(dòng)、沖擊、潮濕、高溫等因素對(duì)應(yīng)變天平的長期穩(wěn)定性和精密測(cè)量具有嚴(yán)重影響。若粘貼在彈性元件上的應(yīng)變計(jì)暴露在空氣中不受保護(hù)，則極易受到化學(xué)腐蝕、機(jī)械破壞或熱損傷，造成測(cè)量失效[1]。因此，對(duì)應(yīng)變天平元件進(jìn)行防護(hù)是使天平能夠長期穩(wěn)定工作的重要手段。

在化學(xué)防護(hù)方面，德國應(yīng)變計(jì)制造商HBM推薦使用各種膠水作為保護(hù)涂層[2]，NASA蘭利研究中心和中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)的部分天平采用了這種較為成熟的化學(xué)防護(hù)方法[3-4]，使得應(yīng)變天平可以適應(yīng)潮濕的工作環(huán)境。在機(jī)械防護(hù)方面，應(yīng)變式的力學(xué)傳感器通常需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械防護(hù)裝置以防止外部環(huán)境造成的機(jī)械損傷或隔絕外部高溫[5-7]。研究天平防護(hù)裝置(Balance Protective Device, BPD)的設(shè)計(jì)及制造對(duì)于提高應(yīng)變天平的使用性能及降低故障率有積極的意義。傳統(tǒng)的天平防護(hù)裝置一般基于切削、焊接等加工工藝開展設(shè)計(jì)，某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件設(shè)計(jì)優(yōu)化和加工的難度很大，例如內(nèi)部設(shè)置有通水管路的水冷罩。近年來，3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，其獨(dú)特的產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化流程和增材加工工藝非常適合應(yīng)變天平防護(hù)裝置加工。因此，提出利用3D打印技術(shù)進(jìn)行應(yīng)變天平防護(hù)裝置的研制，以提高天平的綜合性能。

3D打印是一種快速成型技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空制造、汽車制造、模具制造和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[8-11]。在風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域，CARDC通過基于立體光固化快速成型方法研制了適用于高速風(fēng)洞的靜彈性樹脂模型[12]，解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剛度分布問題。在天平研制領(lǐng)域，南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)的Pieterse教授在研制六分量盒式光纖天平時(shí)，為了修正CAD模型不易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題，確定光纖天平的光纖粘貼位置并獲得粘貼經(jīng)驗(yàn)，利用3D打印技術(shù)打印了全尺寸的盒式天平模型[13]。本文將針對(duì)2類天平防護(hù)裝置，分別探索3D打印技術(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)及風(fēng)洞試驗(yàn)天平防護(hù)中的應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 需求分析

天平防護(hù)裝置的主要功能是防護(hù)熱能或外力對(duì)天平應(yīng)變計(jì)的破壞。隔熱型防護(hù)裝置通常由內(nèi)部流體介質(zhì)帶走熱量以防止天平體溫度過高導(dǎo)致溫度效應(yīng)過大或電路損壞。外力防護(hù)裝置主要防止外部載荷或液體介質(zhì)直接作用在應(yīng)變計(jì)或線路上而損壞天平。

隨著天平精細(xì)化研究的不斷深入，天平機(jī)械防護(hù)已成為天平研制人員必須考慮的一個(gè)設(shè)計(jì)要素。其研制與應(yīng)用存在3個(gè)顯著特點(diǎn)：一是缺乏簡單高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)判手段，難以通過風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證；二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，必須適應(yīng)天平測(cè)量元件及模型內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)尺寸；三是加工裝配難度大，要求嚴(yán)格控制裝配精度、殼體變形量及焊接質(zhì)量，不得影響天平測(cè)量準(zhǔn)度。

從3D打印技術(shù)在制造業(yè)的研究應(yīng)用情況來看，該技術(shù)特別適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高度定制的小批量產(chǎn)品或樣機(jī)生產(chǎn)，具有不受零件形狀復(fù)雜度限制、制造時(shí)間短等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于內(nèi)部中空的零件，制造難度大大降低。

上述分析表明，結(jié)合天平防護(hù)裝置與3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，可初步探索優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的評(píng)估方法，開辟風(fēng)洞應(yīng)變天平防護(hù)裝置研發(fā)的新途徑。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

在不影響氣動(dòng)力測(cè)量的前提下，天平防護(hù)裝置應(yīng)具備良好防護(hù)能力，保護(hù)天平各分量的橋路硬件。同時(shí)必須注意加工方式改變后對(duì)設(shè)計(jì)和最終產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的影響。因此，關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1) CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到最終的防護(hù)性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要把握結(jié)構(gòu)的變形和空間干涉、裝配定位、打印設(shè)備性能等，但不需要考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

(2) 防護(hù)材料選型。市場(chǎng)上可選擇的3D打印材料種類很多[14]，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，選擇滿足使用要求的材料，以達(dá)到強(qiáng)度、韌性、精度或外觀等要求。

(3) 成型后處理技術(shù)。必須對(duì)打印成型的零件進(jìn)行裝配前的打磨或去除支撐材料，確保滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.3 設(shè)計(jì)因素

圖1對(duì)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行了分解。從防護(hù)功能這一基本要素出發(fā)，首先考慮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)原型，選用合適的材料，最后在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)再考慮打印工藝要求、產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性(減重優(yōu)化)和外形美觀等因素。要在實(shí)現(xiàn)基本防護(hù)功能的前提下保證結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便并且不干涉天平測(cè)力。

1.4 研制流程

采用現(xiàn)代CAD/CAE方法，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出獨(dú)具特色并且適用于3D打印的天平防護(hù)裝置，設(shè)計(jì)流程如圖2所示。首先針對(duì)具體的天平結(jié)構(gòu)和功能需求開展初步設(shè)計(jì)迭代，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案可進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)外觀設(shè)計(jì)(如標(biāo)志、編號(hào)等)，然后結(jié)合3D打印技術(shù)要求進(jìn)一步優(yōu)化尺寸參數(shù)并嘗試打印和改進(jìn)，最后打印出滿足使用要求的最終產(chǎn)品。與傳統(tǒng)機(jī)械加工的設(shè)計(jì)不同，其設(shè)計(jì)結(jié)果是直觀的3D實(shí)體模型數(shù)據(jù)，不需要生成平面圖紙，提高了設(shè)計(jì)效率，真正實(shí)現(xiàn)所見即所得。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證

以水冷天平熱防護(hù)裝置——水冷罩為研究對(duì)象，探索了3D打印技術(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)判中的初步應(yīng)用。

2.1 傳統(tǒng)水冷罩的不足

傳統(tǒng)的水冷罩通過焊接方式加工，內(nèi)部管路設(shè)計(jì)受加工工藝的限制，研制難度很大。通常水冷罩內(nèi)部管路設(shè)計(jì)成單向非對(duì)稱流動(dòng)水路。主要存在2點(diǎn)不足：(1) 冷卻液沿軸向單向流動(dòng)，形成很大的溫度梯度，天平受熱不均，溫度效應(yīng)較大。(2) 加工難度大，焊接工藝限制了內(nèi)部管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，提出利用3D打印優(yōu)化設(shè)計(jì)水冷罩的研制思路。

2.2 結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化

為了克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺陷，采取了以下措施：(1)改變冷卻液流動(dòng)方向?yàn)槁菪綄?duì)稱環(huán)向流動(dòng)，減小天平電橋的溫度效應(yīng)。(2)增加水冷管路的密度，提高冷卻效果。優(yōu)化后內(nèi)部管路為圓形截面，進(jìn)/出水管道直徑為Ф2mm，冷卻水從支桿端進(jìn)水口以一定的壓力進(jìn)入到水冷置前錐內(nèi)部，然后通過密集的冷卻管路帶走熱量，最后從另一端流出到支桿的排水管。圖3給出了水冷罩優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果。仿真分析結(jié)果表明，其對(duì)稱性明顯改善。

為了適應(yīng)3D打印工藝要求，內(nèi)部設(shè)計(jì)成等截面圓角過渡管路。最終的優(yōu)化主要考慮不同材料對(duì)最小壁厚、空心設(shè)計(jì)中的逸出孔、立柱、凹凸?fàn)罴?xì)節(jié)的要求。優(yōu)化結(jié)果最終通過3D打印實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示與驗(yàn)證，選用了一種半透明的光敏樹脂材料(見表1中B型)，最小壁厚為1mm。

編號(hào)材料名稱性能特點(diǎn)A高韌性樹脂表面光滑、韌性好、強(qiáng)度高，精度100μmB半透明光敏樹脂硬質(zhì)半透明、強(qiáng)水密性，精度16μmC蠟質(zhì)材料藍(lán)色脆質(zhì)材料，表現(xiàn)力強(qiáng)，精度33μmD玻璃纖維淡藍(lán)色、表面粗糙、熱變形溫度170℃

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

圖4是水冷罩樣機(jī)的實(shí)物照片。利用3D打印半透明模型展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。驗(yàn)證內(nèi)容及評(píng)估結(jié)果如表2所示。通過3D打印設(shè)計(jì)方案這種簡單直觀的驗(yàn)證方法，克服了實(shí)物加工驗(yàn)證成本高、周期長的缺點(diǎn)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，可推廣應(yīng)用于天平設(shè)計(jì)過程中。但是，由于水冷罩實(shí)物材料的不同，目前優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)估還不能真實(shí)全面評(píng)估其冷卻效果。

內(nèi)容結(jié)果評(píng)估結(jié)果1結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸正確，已與天平裝配2與天平裝配是錐度正確，產(chǎn)品需留有一定的研磨余量3與天平定位是通過鍵定位，產(chǎn)品需考慮精加工鍵寬余量4管路通氣是通氣有一定阻力，需適當(dāng)增大管路內(nèi)徑5管路通水否不能以正常壓力通水，需增大壓力或管徑

由于目前的非金屬3D打印材料最高熱變形溫度只能達(dá)到170℃～200℃，因此需要借助金屬3D打印技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)這種防護(hù)裝置。金屬3D打印最高熱變形溫度可達(dá)到1000℃以上，理論加工精度可達(dá)到0.01mm，滿足這種防護(hù)裝置的使用要求，但是存在疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性方面的問題，且打印成本較高。目前這種金屬3D打印熱防護(hù)裝置還在進(jìn)一步研究中，下面將介紹應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)的天平防護(hù)裝置研制與應(yīng)用情況。

3 防護(hù)裝置研制

本實(shí)例通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)桿式六分量天平的防護(hù)裝置研制。

3.1 設(shè)計(jì)條件分析

桿式六分量天平是高速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛的一種常規(guī)測(cè)量裝置，因此選用1臺(tái)六分量桿式天平為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)1套用于2.4m跨聲速風(fēng)洞直徑為Ф64mm天平的防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過3D打印完成加工，并應(yīng)用于實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)。

受到模型內(nèi)腔空間限制，無法在天平與模型之間安裝一個(gè)整體的保護(hù)套。為了實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能，只能設(shè)計(jì)組合式防護(hù)裝置，利用安裝在天平元件附近切削較多的位置的多個(gè)片體分別保護(hù)粘貼在天平元件上的24片應(yīng)變計(jì)、端子焊點(diǎn)及各電橋線路。

3.2 防護(hù)組件研制

設(shè)計(jì)了2類零件分別用于保護(hù)天平阻力元件和前后梁元件，如圖5所示。零件最小厚度為2mm?？紤]到樹脂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼材，要能承受一般外力作用，保證足夠的強(qiáng)度和韌性，前后梁防護(hù)組件設(shè)置了加強(qiáng)筋。這種減重優(yōu)化，同時(shí)也節(jié)省了樹脂材料成本。

設(shè)計(jì)優(yōu)化須注意如下細(xì)節(jié)：(1) 應(yīng)避免過薄的邊緣和小角度尖角，一般尖銳表面角度要大于20°。銳邊倒圓R0.3～0.5mm可有效提高打印質(zhì)量。(2) 考慮公差配合，配合面尺寸留有0.2～0.3mm的修配余量供后期修配。(3) 為了保證安裝位置，對(duì)每一塊蓋板進(jìn)行了標(biāo)識(shí)編號(hào)，并且可以將標(biāo)識(shí)或編號(hào)直接打印在產(chǎn)品上。

共設(shè)計(jì)了12片蓋板，用于防護(hù)包括阻力測(cè)量元件在內(nèi)的所有彈性測(cè)量元件上的應(yīng)變計(jì)和線路，如圖6所示。裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，蓋板固定在遠(yuǎn)離測(cè)量元件的位置，蓋板與元件之間留有足夠的間隙，確保不影響氣動(dòng)力測(cè)量。同時(shí)，通過減重優(yōu)化設(shè)計(jì)總重量僅為27g(光敏樹脂密度約為1.3g/cm3)，約為相同金屬結(jié)構(gòu)的17%。從設(shè)計(jì)方案來看，3D打印部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活精細(xì)。

圖7給出了利用3D打印加工的輕質(zhì)防護(hù)組件實(shí)物圖，材料為一種乳白色不透明韌性光敏樹脂，制作工藝為SLA，打印精度為0.1mm。通過實(shí)驗(yàn)篩選表1所列舉的幾種常用3D打印材料，得到A型高韌性樹脂適合于常溫天平的防護(hù)，其特點(diǎn)是硬度較高、表面光滑、成本低，具有一定的韌性。但是這種材料會(huì)隨著使用時(shí)間的增加慢慢變色，這種外觀改變并不影響使用。C型蠟質(zhì)材料雖然打印精度高，但是韌性不夠，不適合制作防護(hù)組件。整套組件的生產(chǎn)周期僅為10h，成本僅為300元人民幣。若通過傳統(tǒng)工藝加工，各種工序至少需要100h，成本超過1000元人民幣。

3.3 應(yīng)用效果

組合式天平防護(hù)組件修配后通過螺釘固定在天平上，調(diào)整前后梁元件防護(hù)組件與天平元件之間的間隙大于2mm，如圖8所示。該天平校準(zhǔn)載荷達(dá)到15kN，校準(zhǔn)過程中未發(fā)現(xiàn)信號(hào)輸出異常的情況。

在2.4m跨聲速風(fēng)洞完成了某標(biāo)模試驗(yàn)，在搬運(yùn)、天平與支桿裝配及拆裝模型過程中，天平元件得到有效保護(hù)，并且各氣動(dòng)分量試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到或接近優(yōu)秀指標(biāo)，未受防護(hù)裝置的影響。由于樹脂材料強(qiáng)度和韌性很有限，因此這種天平防護(hù)裝置的防護(hù)能力不及金屬裝置，但對(duì)于一般的日常防護(hù)是完全可行的。從應(yīng)用情況來看，3D打印雖然不能在短時(shí)間內(nèi)代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工方法，但卻是傳統(tǒng)加工方法的重要補(bǔ)充，具有很好的研究價(jià)值。

4 結(jié) 論

(1) 利用3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果的直觀評(píng)估，研究應(yīng)變天平防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、內(nèi)部構(gòu)造及工作原理，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

(2) 基于3D打印的韌性光敏樹脂零件可用于快速、經(jīng)濟(jì)、高度定制的應(yīng)變天平防護(hù)，是一種全新高效的配附件設(shè)計(jì)加工解決方案，可減少試驗(yàn)運(yùn)行過程中天平意外受損引發(fā)的故障。

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Designandapplicationofwindtunnelstraingaugebalanceprotectivedevicebasedon3Dprinting

Xiang Guangwei*, Wang Chao, Wan Liqiang, Mi Peng, Wang Shumin

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The strain gauge balance is the main equipment used in wind tunnel test, which has an important influence on the quality of test data and operational efficiency. To improve the balance self-protection performance and lower balance failure rate in test operations, a quick development method based on three-dimensional (3D) printing for the wind tunnel strain gauge balance (SGB) protective device is proposed. By decomposing the design factors, the key factors pertaining to the design of balance protective device are studied. A design flow and method based on 3D printing is put forward. The 3D printing technology can be applied to the optimization of balance guards in two aspects: (1) to optimize and visualize design schemes; (2) to protect strain gauges and circuit on balances for wind tunnel tests. Both water-cooled balance protective device and assembly type mechanical protective device are designed. For the water-cooled device with complex internal structure, 3D printing technology makes design to be visualized, which is helpful for design verification before manufacturing. The assembly type product, manufactured by means of 3D printing technology, is applied in corresponding balance protection for wind tunnel force measurement test. The perfect combination of strain gauge balances with their highly customized, lightweight balance protective devices by 3D printing, serves not only to protect the strain gauges and wires from damages in the process of calibration, transportation, model assembly and testing, but also to make impressive visual artworks of the balances, rendering them functional, practical, economical and artistic. Compared with machining of a balance protective device in the traditional way, 3D printing can greatly reduce the processing cycle and the cost. Meanwhile design visualization can validate technical solutions in the design stage. Both applications promote the overall performance of the balance.

3D printing；strain gauge balance；balance protection；design verification；design factors

2016-07-25;

2017-02-14

*通信作者 E-mail: xiangguangwei@cardc.cn

XiangGW,WangC,WangLQ,etal.Designandapplicationofwindtunnelstraingaugebalanceprotectivedevicebasedon3Dprinting.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 100-104. 向光偉, 王 超, 萬利強(qiáng), 等. 基于3D打印的風(fēng)洞應(yīng)變天平防護(hù)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(6): 100-104.

1672-9897(2017)06-0100-05

10.11729/syltlx20160114

V211.752

A

向光偉(1982-)，男，陜西嵐皋人，工程師。研究方向：風(fēng)洞應(yīng)變天平研制與應(yīng)用。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號(hào)12206信箱(621000)。E-mail：xiangguangwei@cardc.cn

(編輯：李金勇)