基于3D打印的風洞應變天平防護裝置設計與應用

向光偉, 王 超, 萬利強, 米 鵬, 王樹民

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

基于3D打印的風洞應變天平防護裝置設計與應用

向光偉*, 王 超, 萬利強, 米 鵬, 王樹民

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

應變天平是風洞測力試驗中的主要測量設備，對試驗數據質量和運行效率具有重要影響。為了提高天平自身的防護性能，減少試驗運行過程中的天平故障概率，提出了基于3D打印風洞應變天平防護裝置的快速開發方法。分析了天平防護裝置的需求，研究了3D打印天平防護裝置的關鍵技術、設計因素與研制流程。開展了3D打印技術在設計優化驗證和風洞試驗天平防護裝置研制2方面研究。分別設計了整體式水冷罩和組合式桿式天平防護裝置。對于具有復雜內部結構的天平水冷罩，3D打印技術可以對設計優化結果進行驗證評估。通過3D打印技術完成桿式天平防護裝置研制，在風洞試驗中對所使用的天平進行了防護應用。實際應用表明，防護裝置可有效避免應變計及線路在校準、運輸、模型裝配和試驗過程中損壞。相比傳統機械加工，3D打印天平防護裝置不僅能實現設計優化驗證，而且可大幅降低加工周期和成本，促進了天平綜合性能的提升。

3D打印；應變天平；天平防護；設計驗證；設計因素

0 引 言

應變天平廣泛應用于風洞測力試驗中，以測量作用在模型上空氣動力載荷的大小、方向和作用點。長期以來，應變天平工作環境復雜，振動、沖擊、潮濕、高溫等因素對應變天平的長期穩定性和精密測量具有嚴重影響。若粘貼在彈性元件上的應變計暴露在空氣中不受保護，則極易受到化學腐蝕、機械破壞或熱損傷，造成測量失效[1]。因此，對應變天平元件進行防護是使天平能夠長期穩定工作的重要手段。

在化學防護方面，德國應變計制造商HBM推薦使用各種膠水作為保護涂層[2]，NASA蘭利研究中心和中國空氣動力研究與發展中心(CARDC)的部分天平采用了這種較為成熟的化學防護方法[3-4]，使得應變天平可以適應潮濕的工作環境。在機械防護方面，應變式的力學傳感器通常需要設計相應的機械防護裝置以防止外部環境造成的機械損傷或隔絕外部高溫[5-7]。研究天平防護裝置(Balance Protective Device, BPD)的設計及制造對于提高應變天平的使用性能及降低故障率有積極的意義。傳統的天平防護裝置一般基于切削、焊接等加工工藝開展設計，某些內部結構復雜的零件設計優化和加工的難度很大，例如內部設置有通水管路的水冷罩。近年來，3D打印技術迅猛發展，其獨特的產品設計優化流程和增材加工工藝非常適合應變天平防護裝置加工。因此，提出利用3D打印技術進行應變天平防護裝置的研制，以提高天平的綜合性能。

3D打印是一種快速成型技術，廣泛應用于航空制造、汽車制造、模具制造和醫學等領域[8-11]。在風洞試驗領域，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洞的靜彈性樹脂模型[12]，解決了結構設計中的剛度分布問題。在天平研制領域，南非約翰內斯堡大學的Pieterse教授在研制六分量盒式光纖天平時，為了修正CAD模型不易發現的結構問題，確定光纖天平的光纖粘貼位置并獲得粘貼經驗，利用3D打印技術打印了全尺寸的盒式天平模型[13]。本文將針對2類天平防護裝置，分別探索3D打印技術在優化設計及風洞試驗天平防護中的應用。

1 設計方法

1.1 需求分析

天平防護裝置的主要功能是防護熱能或外力對天平應變計的破壞。隔熱型防護裝置通常由內部流體介質帶走熱量以防止天平體溫度過高導致溫度效應過大或電路損壞。外力防護裝置主要防止外部載荷或液體介質直接作用在應變計或線路上而損壞天平。

隨著天平精細化研究的不斷深入，天平機械防護已成為天平研制人員必須考慮的一個設計要素。其研制與應用存在3個顯著特點：一是缺乏簡單高效的優化設計結果評判手段，難以通過風洞試驗驗證；二是結構復雜多變，必須適應天平測量元件及模型內腔的結構尺寸；三是加工裝配難度大，要求嚴格控制裝配精度、殼體變形量及焊接質量，不得影響天平測量準度。

從3D打印技術在制造業的研究應用情況來看，該技術特別適合于復雜結構、高度定制的小批量產品或樣機生產，具有不受零件形狀復雜度限制、制造時間短等獨特優勢，尤其對于內部中空的零件，制造難度大大降低。

上述分析表明，結合天平防護裝置與3D打印技術的特點，可初步探索優化設計方案的評估方法，開辟風洞應變天平防護裝置研發的新途徑。

1.2 關鍵技術

在不影響氣動力測量的前提下，天平防護裝置應具備良好防護能力，保護天平各分量的橋路硬件。同時必須注意加工方式改變后對設計和最終產品實現的影響。因此，關鍵技術主要包括：

(1) CAD優化設計技術。設計的優劣直接關系到最終的防護性能，在設計時需要把握結構的變形和空間干涉、裝配定位、打印設備性能等，但不需要考慮結構的復雜程度。

(2) 防護材料選型。市場上可選擇的3D打印材料種類很多[14]，應該根據實際應用需要，選擇滿足使用要求的材料，以達到強度、韌性、精度或外觀等要求。

(3) 成型后處理技術。必須對打印成型的零件進行裝配前的打磨或去除支撐材料，確保滿足各項設計指標。

1.3 設計因素

圖1對設計因素進行了分解。從防護功能這一基本要素出發，首先考慮結構實現的可行性，設計出結構原型，選用合適的材料，最后在優化設計時再考慮打印工藝要求、產生的經濟性(減重優化)和外形美觀等因素。要在實現基本防護功能的前提下保證結構簡單、拆裝方便并且不干涉天平測力。

1.4 研制流程

采用現代CAD/CAE方法，設計并優化出獨具特色并且適用于3D打印的天平防護裝置，設計流程如圖2所示。首先針對具體的天平結構和功能需求開展初步設計迭代，優化后的設計方案可進一步進行精細外觀設計(如標志、編號等)，然后結合3D打印技術要求進一步優化尺寸參數并嘗試打印和改進，最后打印出滿足使用要求的最終產品。與傳統機械加工的設計不同，其設計結果是直觀的3D實體模型數據，不需要生成平面圖紙，提高了設計效率，真正實現所見即所得。

2 優化設計驗證

以水冷天平熱防護裝置——水冷罩為研究對象，探索了3D打印技術在優化設計結果評判中的初步應用。

2.1 傳統水冷罩的不足

傳統的水冷罩通過焊接方式加工，內部管路設計受加工工藝的限制，研制難度很大。通常水冷罩內部管路設計成單向非對稱流動水路。主要存在2點不足：(1) 冷卻液沿軸向單向流動，形成很大的溫度梯度，天平受熱不均，溫度效應較大。(2) 加工難度大，焊接工藝限制了內部管路的優化設計。因此，提出利用3D打印優化設計水冷罩的研制思路。

2.2 結構選型優化

為了克服傳統結構的缺陷，采取了以下措施：(1)改變冷卻液流動方向為螺旋式對稱環向流動，減小天平電橋的溫度效應。(2)增加水冷管路的密度，提高冷卻效果。優化后內部管路為圓形截面，進/出水管道直徑為Ф2mm，冷卻水從支桿端進水口以一定的壓力進入到水冷置前錐內部，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給出了水冷罩優化前后的結構與仿真結果。仿真分析結果表明，其對稱性明顯改善。

為了適應3D打印工藝要求，內部設計成等截面圓角過渡管路。最終的優化主要考慮不同材料對最小壁厚、空心設計中的逸出孔、立柱、凹凸狀細節的要求。優化結果最終通過3D打印實體結構進行展示與驗證，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。

編號材料名稱性能特點A高韌性樹脂表面光滑、韌性好、強度高，精度100μmB半透明光敏樹脂硬質半透明、強水密性，精度16μmC蠟質材料藍色脆質材料，表現力強，精度33μmD玻璃纖維淡藍色、表面粗糙、熱變形溫度170℃

2.3 優化設計結果驗證

圖4是水冷罩樣機的實物照片。利用3D打印半透明模型展示其內部結構，驗證設計的可行性。驗證內容及評估結果如表2所示。通過3D打印設計方案這種簡單直觀的驗證方法，克服了實物加工驗證成本高、周期長的缺點，提高了設計效率和質量，可推廣應用于天平設計過程中。但是，由于水冷罩實物材料的不同，目前優化設計評估還不能真實全面評估其冷卻效果。

內容結果評估結果1結構幾何參數是結構設計尺寸正確，已與天平裝配2與天平裝配是錐度正確，產品需留有一定的研磨余量3與天平定位是通過鍵定位，產品需考慮精加工鍵寬余量4管路通氣是通氣有一定阻力，需適當增大管路內徑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到170℃～200℃，因此需要借助金屬3D打印技術最終實現這種防護裝置。金屬3D打印最高熱變形溫度可達到1000℃以上，理論加工精度可達到0.01mm，滿足這種防護裝置的使用要求，但是存在疲勞強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打印熱防護裝置還在進一步研究中，下面將介紹應用于風洞試驗的天平防護裝置研制與應用情況。

3 防護裝置研制

本實例通過3D打印技術實現了1臺桿式六分量天平的防護裝置研制。

3.1 設計條件分析

桿式六分量天平是高速風洞測力試驗應用最為廣泛的一種常規測量裝置，因此選用1臺六分量桿式天平為研究對象。設計1套用于2.4m跨聲速風洞直徑為Ф64mm天平的防護結構，通過3D打印完成加工，并應用于實際的風洞試驗。

受到模型內腔空間限制，無法在天平與模型之間安裝一個整體的保護套。為了實現防護功能，只能設計組合式防護裝置，利用安裝在天平元件附近切削較多的位置的多個片體分別保護粘貼在天平元件上的24片應變計、端子焊點及各電橋線路。

3.2 防護組件研制

設計了2類零件分別用于保護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]到樹脂的結構強度遠小于鋼材，要能承受一般外力作用，保證足夠的強度和韌性，前后梁防護組件設置了加強筋。這種減重優化，同時也節省了樹脂材料成本。

設計優化須注意如下細節：(1) 應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，對每一塊蓋板進行了標識編號，并且可以將標識或編號直接打印在產品上。

共設計了12片蓋板，用于防護包括阻力測量元件在內的所有彈性測量元件上的應變計和線路，如圖6所示。裝配結構設計時，蓋板固定在遠離測量元件的位置，蓋板與元件之間留有足夠的間隙，確保不影響氣動力測量。同時，通過減重優化設計總重量僅為27g(光敏樹脂密度約為1.3g/cm3)，約為相同金屬結構的17%。從設計方案來看，3D打印部件的結構設計更加靈活精細。

圖7給出了利用3D打印加工的輕質防護組件實物圖，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。通過實驗篩選表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，其特點是硬度較高、表面光滑、成本低，具有一定的韌性。但是這種材料會隨著使用時間的增加慢慢變色，這種外觀改變并不影響使用。C型蠟質材料雖然打印精度高，但是韌性不夠，不適合制作防護組件。整套組件的生產周期僅為10h，成本僅為300元人民幣。若通過傳統工藝加工，各種工序至少需要100h，成本超過1000元人民幣。

3.3 應用效果

組合式天平防護組件修配后通過螺釘固定在天平上，調整前后梁元件防護組件與天平元件之間的間隙大于2mm，如圖8所示。該天平校準載荷達到15kN，校準過程中未發現信號輸出異常的情況。

在2.4m跨聲速風洞完成了某標模試驗，在搬運、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，并且各氣動分量試驗數據達到或接近優秀指標，未受防護裝置的影響。由于樹脂材料強度和韌性很有限，因此這種天平防護裝置的防護能力不及金屬裝置，但對于一般的日常防護是完全可行的。從應用情況來看，3D打印雖然不能在短時間內代替傳統加工方法，但卻是傳統加工方法的重要補充，具有很好的研究價值。

4 結 論

(1) 利用3D打印技術可實現設計優化結果的直觀評估，研究應變天平防護裝置的設計細節、內部構造及工作原理，驗證設計方案，具有很好的推廣應用前景。

(2) 基于3D打印的韌性光敏樹脂零件可用于快速、經濟、高度定制的應變天平防護，是一種全新高效的配附件設計加工解決方案，可減少試驗運行過程中天平意外受損引發的故障。

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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, 等. 基于3D打印的風洞應變天平防護裝置設計與應用. 實驗流體力學, 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：風洞應變天平研制與應用。通信地址：四川省綿陽市二環路南段6號12206信箱(621000)。E-mail：xiangguangwei@cardc.cn

(編輯：李金勇)