CN110866351B - 机翼扰流板增阻微织构设计与基于cfrp材料的制造法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机翼扰流板增阻微织构设计与基于CFRP材料的制造法，属于表面织构设计与制造领域。根据机翼扰流板模型，建立流场域进行数值模拟仿真，分析翼型扰流板周围流场，确定扰流板增阻微织构的布置方位；通过翼型绕流板模型的有限元仿真，建立阻力性能识别方法，对阻力进行对比，对建有肋条的翼进行优化；最终确定尺寸和间距均为0.3mm的连续流向肋条为最优的扰流板微织构参数，能够达到在扰流板展开时增加阻力，减小升力，利于制动，在扰流板闭合时，减小阻力，减少油耗的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对机翼扰流板的增阻微织构的设计以及基于CFRP材料的制造方法，可用于改进机翼扰流板表面的气动性能，属于表面织构设计与制造领域。
背景技术
扰流板又称减速板，为使用涡轮喷气机和涡轮风扇发动机的固定翼航空器(包括喷气式飞机和滑翔机)上常用的一种减速装置。民用客机的扰流板通常安装在两侧的机翼上，使用时，通过液压***顶起，有效增加航空器前进的阻力并增大机翼上方的压力，达到同时减缓飞行速度和降低给行高度的目的。在制动时，除了发动机反向推力和车轮制动***外，同时，扰流板还可以通过增加阻力将飞机重量的一部分转移到起落架上，从而帮助飞机在着陆时停止。目前，现代飞机的扰流板，如波音777、波音787、空客A380、空客A350以及C919，都是由复合材料制成的，考虑到碳纤维增强塑料(CFRP)具有耐久、轻质、高强等优良性能和广泛的应用前景，复合材料在飞机上所占比例不断上升。为了使扰流板的性能达到最佳，可以通过控制表面附近的流场来提高其性能。
扰流板一般有两种使用方法：一种时在飞行过程中升起，用来减缓速度并降低高度，或者破坏两侧机翼的升力平衡，辅助飞机转向；另一种是飞机降落滑行时，配合发动机反推，迅速降低滑行速度，缩短滑行距离。然而扰流板的使用寿命有限，一般来讲只能使用1000-3000小时。对于增加扰流板增阻率，对于零件的使用率具有重要作用。
许多研究人员从仿生学角度研究了自然界的各种微观结构、纳米结构和层次化结构，如在自然界中，荷叶的自洁功能，鲨鱼的皮肤的减阻性能等，这些都源于表面的微结构，使得流体在接触表面时很容易剥离，可以实现如减阻，增阻，自洁，降噪等功能。目前研究者从仿生学角度获得灵感从而实现了如微气泡、加热壁、振动、超疏水表面、表面纹理和复合减阻等流动控制技术。通过对微结构研究，可以有效地设计出增加扰流板增阻率的微结构。
扰流板微织构表面的设计是为了增加摩擦阻力和压差阻力，增加增阻效率。微织构具有多种形状，微织构的位置、尺寸、倾斜角、连续和分段结构以及流体的速度等因素都会影响到微织构对流体的作用。因此，在一定条件下，为提高扰流板的阻力和寿命，设计微织构表面是可行的。
目前飞机扰流板材料多采用，CFRP材料，但是CFRP是典型的难加工材料，切削时在切削力的作用下容易产生分层、劈裂等缺陷。因此采用传统的微细机加工都会对材料本身产生破坏，作用于层合板上的作用力会导致层合板的初始损伤，使纤维发生偏转而不是切断。所以在CFRP表面制造微织构异常非常困难。而在CFRP材料表面覆膜，在膜上加工微织构，能够在不破坏CFRP结构的前提下，完成飞机机翼扰流板微织构的加工。因此采用固化工艺制备微织构薄膜，并与CFRP板进行粘接，完成飞机机翼扰流板CFRP板微织构的制作工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对机翼扰流板增阻微织构的设计与基于CFRP材料的制造方法，以使飞机在扰流板工作时，能够增加阻力，减小升力，提升飞机的降落制动以及巡航状态下的姿态调整效率，减少燃油消耗。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
对飞机机翼扰流板增阻肋条微织构进行设计，其特征包括以下步骤：
1)在平板上的进行微织构设计，并建立流场域，平板水平放置在流场域中，流场域的特征为一个长方体，流场域长度是平板长度的2-4倍，高度是平板厚度的2-4倍，目的是为了让湍流充分发展，以便进行数值模拟仿真，分析微织构对流场的影响，并计算其阻力；验证微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构对减阻性的影响，获得具有参考意义的最优增阻微织构的初始设计参数；
2)：根据飞机翼型扰流板模型建立流场域，为保证湍流在流场域中充分发展，流场域按照步骤1)中的标准构建，即流场域长度是平板长度的2-4倍，高度是平板厚度的2-4倍；流场域中流场方向与实际流动路径一致，从长方体流场域左侧水平流进，右侧流出，放置在流场域中的扰流板与水平逆时针方向呈0-50度偏转角；
3)：利用ICEM-CFD软件对步骤2)所得的流场域进行网格划分，网格划分的标准是，贴近扰流板表面的网格尺寸必须小于步骤2)流场中发展的湍流边界层中黏性底层厚度；
4)：将步骤3)中划分好的网格导入到FLUENT中进行数值模拟计算；将边界条件设为k-epsilon湍流模型，壁面函数为增强壁面处理后的壁面函数，入口设为速度入口边界条件，设置好速度，出口设为压力出口边界条件，设置相应压力，侧边设为对称，其他表面设为无滑移边界条件；
5)：根据步骤4)中的数值模拟结果，在扰流板展开时，由于流体流速的不同，产生压力阻力的同时升力下降，造成了扰流板前后静压的显著差异，在扰流板前区速度较低，造成比后区静压高；因此微织构布置在扰流板整体的前1/2区域，使流场速度变慢并与肋条结构相互作用，增加阻力。如图1所示
6)：建立阻力性能识别方法，分析扰流板微织构表面压差阻力、摩擦阻力、升力的变化规律，这些都可以通过FLUENT软件直接或间接的得到，然后利用总压恢复TPR理论测量流场中运动物体的压降，作为阻力评判标准；TPR计算公式如下：
其中
为出口处总压，
为进口处总压；
7)：根据步骤6)中的仿真分析结果，在绕流板整体前1/2区域布置微织构，根据间距无量纲数S+和高度无量纲数h+确定微织构的尺寸，并根据步骤1)中得到的初始设计参数，对微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构参数进行调整；然后利用控制变量法，生成多组扰流板模型，并按照步骤2-6)的过程进行仿真试验，观察阻力变化，通过不断调整微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构不断优化扰流板微织构模型，最终获得具有最佳增阻性能的微织构布置的最终参数。如图2所示
本发明中步骤7)中所述的最佳增阻性能微织构，针对飞机翼型为NACA0015翼型，流速为70m/s，微织构采用高度和间距均为0.3mm的连续肋条，布置在扰流板整体的前1/2区域；在巡航飞行中，扰流板不工作，在降落或飞机姿态调整时，扰流板打开，实现增阻。
本发明中所述步骤2)中流速越高，流场域设置的越小。
本发明中所述步骤3)中针对复杂的扰流板结构，采用四面体非结构网格。
本发明中根据飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法设计的增阻肋条微织构的制造方法，其特征包括以下步骤：
步骤8):根据设计优化后确定扰流板微织构参数，在铝合金板上铣削微织构，得到铝合金板模具；
步骤9)：将PDMS预聚体和固化剂混合搅拌，倒在步骤8)制作的带有微织构的铝合金板模具表面；将模具与PDMS在烘箱中固化，确保PDMS完全聚合固化；冷却后将膜从模具上剥离，制得微织构膜，如图3所示；
步骤10)：准备制作扰流板的复合材料CFRP板,将粘接剂涂抹CFRP板上，制备的PDMS膜粘接在CFRP板上，在室温下固化，最终在复合材料CFRP板上获得带有增阻微织构的表面，如图4所示；
本发明中所述制造方法的步骤9)制备微织构膜过程中，PDMS预聚体和固化剂的混合重量比为10：1；需要混合搅拌，利用抽真空机真空抽气2.5，去除气泡，固化温度为85℃，固化时间2小时。
本发明中所述制造方法的步骤10)中粘接PDMS膜和CFRP板时，采用的粘接剂为3MDP420NS环氧树脂，粘接力高，为避免污染和机械损伤，用异丙醇清洗复合材料CFRP板和制备的PDMS膜；固化温度22℃，固化时间24h。
本发明提出一种针对飞机机翼扰流板增阻微织构的设计与基于CFRP材料的制造方法。根据平板模型，建立流场域进行数值模拟仿真，分析平板周围流场，确定增阻微织构的布置方位；对微织构连续性、尺寸(h)、间距(s)、倾角及布置的流向进行优化，获得尺寸和间距均为0.3mm的连续流向肋条的优化微织构参数，通过对建有肋条的翼型绕流板模型的有限元仿真，建立阻力性能识别方法，对阻力进行对比，最终确定最优的扰流板微织构参数，达到在扰流板展开时增加阻力，减小升力，利于制动，在扰流板闭合时，减小阻力，减少油耗；最后将固化PDMS制作的微织构膜附在碳纤维增强复合材料(CFRP)板上。实现在不破坏CFRP板结构的前提下，在扰流板上制造微织构的技术。
附图说明
图1为带前置肋片的扰流片；
图2为肋条的几何形状和方向；
图3微织构膜的制造过程
图4微织构膜与CFRP板的固接过程
具体实施方式
针对飞机翼型扰流板的微织构表面进行设计。首先，分析平板上的微织构设计，确定应用于飞机翼型扰流板增阻微织构的初始特征参数。其次，根据无量纲方程将增阻微织构初始特征参数应用于扰流板表面。最后，通过有限元仿真实现计算流体力学计算，验证优化微织构参数。
1.平板表面增阻微织构设计，考虑微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构因素，建立500*300*100mm的计算域，进行网格划分，并通过Fluent软件,设置与飞机翼型表面相同的流速以及介质，获得初始增阻微织构特征参数为：高度0.2-0.5mm，间距0.2-0.5mm的横向的三角形肋条结构
1.构建翼型计算域
利用CATIA V5软件建立翼型扰流板模型计算域。选用试验翼型NACA0015，扰流板与水平轴成5度的偏转角。
2.网格划分
高质量的网格可以使湍流模型得到精确的模拟。对于网格的y+值，FLUENT能够求解边界层厚度明显小于流场高度的粘性底层(y+<5)。利用ICEM CFD进行网格生成。针对复杂的微扰流板结构，采用四面体非结构网格，设置微扰流板表面网格数，研究微扰流板表面网格数对翼型扰流板性能的影响。
5.Fluent数值仿真
将网格导入FLUENT中，该模型将边界条件设为k-epsilon湍流模型，壁面函数为增强壁面处理后的壁面函数，对边界层流动的计算结果更加准确。此外，在X方向上速度设为70m/s，入口设为速度入口边界条件，出口设为压力出口边界条件，侧边设为对称，其他表面设为无滑移边界条件。进行仿真。
3.仿真结果分析确定微织构布置位置
对扰流板周围流场进行分析。当扰流板展开时，由于流体流速的不同，产生压力阻力的同时升力下降，造成了扰流板前后静压的显著差异。在扰流板前区速度较低，造成比后区静压高。因此确定微织构放置在扰流板整体前1/2区域，可以使流场变慢并与肋条结构相互作用。
4.建立阻力识别方法
利用总压恢复(TPR)理论可以测量流场中运动物体的压降，TPR理论是指流体在翼型扰流板偏转过程中流过扰流板的压力损失量。流动分离导致扰流板后缘压力停滞，从而决定了压力阻力的增大。压力在扰流板后缘损失。
5.扰流板上布置不同的微织构，按照1-6的步骤进行仿真分析，得出高度和间距都为0.3mm的横向连续肋条具有最佳的效果，在偏转角为0、12.5、25、37.5、50度时，TPR变化率为0.04％,-0.01％,-0.17％,-0.4％,and-0.11％。带有此微织构的扰流板，在不工作时，具有减阻效果，在展开时具有增阻效果，具有良好的应用前景。
8.微织构制造
8.1材料和设备准备
根据前面设计仿真的得到的微织构参数，在大小合适的铝板上利用微铣削来制造微织构模具在150*100mm的铝板上进行微铣削来制造v型槽模具。
8.2微织构薄膜的制备
将PDMS预聚体和固化剂按10：1的重量比混合，混合搅拌均匀，并真空脱气2.5小时，直到混合的PDMS聚合物中没有气泡为止。然后将混合好的PDMS慢慢地倒在微织构模具上。准备好塑料板，放置在模具周围作为隔板，防止PDMS聚合物溢出，计算好薄膜厚度(此处PDMS厚度高出微织构上表面，保证固化后PDMS的最低处高于微织构的上表面)。另一个塑料板压在在PSDM混合物的顶部，以便承重，使薄膜表面光滑。在烤箱85℃下固化2小时，冷却后将膜从模具上剥离，制得微变形膜。
8.3碳纤维板与微织构表面膜粘结
采用3M DP420NS环氧树脂将微织构膜上的微织构表面转移到CFRP板上，进行粘结工艺。环氧树脂比例是2:1，为所需的配合之前。在制备两种粘接物时，为避免污染和机械损伤，均采用异丙醇清洗表面。将3M DP420NS涂抹CFRP板上，微织构膜置于上方。最后在室温72°F(22°c)下固化24h。获得低成本、高精度的微织构扰流板。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法，其特征包括以下步骤：
步骤1)：在平板上的进行微织构设计，并建立流场域，平板水平放置在流场域中，流场域的特征为一个长方体，流场域长度是平板长度的2-4倍，高度是平板厚度的2-4倍，目的是为了让湍流充分发展，以便进行数值模拟仿真，分析微织构对流场的影响，并计算其阻力；验证微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构对减阻性的影响，获得具有参考意义的最优增阻微织构的初始设计参数；
步骤2)：根据飞机翼型扰流板模型建立流场域，为保证湍流在流场域中充分发展，流场域按照步骤1)中的标准构建，即流场域长度是平板长度的2-4倍，高度是平板厚度的2-4倍；流场域中流场方向与实际流动路径一致，从长方体流场域左侧水平流进，右侧流出，放置在流场域中的扰流板与水平逆时针方向呈0-50度偏转角；
步骤3)：利用ICEM-CFD软件对步骤2)所得的流场域进行网格划分，网格划分的标准是，贴近扰流板表面的网格尺寸必须小于步骤2)流场中发展的湍流边界层中黏性底层厚度；
步骤4)：将步骤3)中划分好的网格导入到FLUENT中进行数值模拟计算；将边界条件设为k-epsilon湍流模型，壁面函数为增强壁面处理后的壁面函数，入口设为速度入口边界条件，设置好速度，出口设为压力出口边界条件，设置相应压力，侧边设为对称，其他表面设为无滑移边界条件；
步骤5)：根据步骤4)中的数值模拟结果，在扰流板展开时，由于流体流速的不同，产生压力阻力的同时升力下降，造成了扰流板前后静压的显著差异，在扰流板前区速度较低，造成比后区静压高；因此微织构布置在扰流板整体的前1/2区域，使流场速度变慢并与肋条结构相互作用，增加阻力；
步骤6)：建立阻力性能识别方法，分析扰流板微织构表面压差阻力、摩擦阻力、升力的变化规律，这些都可以通过FLUENT软件直接或间接的得到，然后利用总压恢复TPR理论测量流场中运动物体的压降，作为阻力评判标准；TPR计算公式如下：
其中
为出口处总压，
为进口处总压；
步骤7)：根据步骤6)中的仿真分析结果，在绕流板整体前1/2区域布置微织构，根据间距无量纲数S+和高度无量纲数h+确定微织构的尺寸，并根据步骤1)中得到的初始设计参数，对微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构参数进行调整；然后利用控制变量法，生成多组扰流板模型，并按照步骤2-6)的过程进行仿真试验，观察阻力变化，通过不断调整微织构的方向和流向、尺寸、间距、倾角和连续结构不断优化扰流板微织构模型，最终获得具有最佳增阻性能的微织构布置的最终参数。
2.根据权利要求1飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法，其特征在于：
上述步骤7)中的最佳增阻性能微织构具有以下特征：
飞机翼型为NACA0015翼型，流速为70m/s，微织构采用高度和间距均为0.3mm的连续肋条，布置在扰流板整体的前1/2区域；在巡航飞行中，扰流板不工作，在降落或飞机姿态调整时，扰流板打开，实现增阻。
3.根据权利要求1飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，流速越高，流场域设置的越小。
4.根据权利要求1飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤3)中针对复杂的扰流板结构，采用四面体非结构网格。
5.根据权利要求1飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法设计的增阻肋条微织构在CFRP材料上的制造方法，其特征包括以下步骤：
步骤8):根据设计优化后确定扰流板微织构参数，在铝合金板上铣削微织构，得到铝合金板模具；
步骤9)：将PDMS预聚体和固化剂混合搅拌，倒在步骤8)制作的带有微织构的铝合金板模具表面；将模具与PDMS在烘箱中固化，确保PDMS完全聚合固化；冷却后将膜从模具上剥离，制得微织构膜；
步骤10)：准备制作扰流板的复合材料CFRP板,将粘接剂涂抹CFRP板上，制备的PDMS膜粘接在CFRP板上，在室温下固化，最终在复合材料CFRP板上获得带有增阻微织构的表面。
6.根据权利要求5所述的飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法设计的增阻肋条微织构在CFRP材料上的制造方法，其特征在于：所述步骤9)制备微织构膜过程中，PDMS预聚体和固化剂的混合重量比为10：1；需要混合搅拌，利用抽真空机真空抽气2.5，去除气泡，固化温度为85℃，固化时间2小时。
7.根据权利要求5所述的飞机机翼扰流板增阻肋条微织构的设计方法设计的增阻肋条微织构在CFRP材料上的制造方法，其特征在于：所述步骤10)中粘接PDMS膜和CFRP板时，采用的粘接剂为3M DP420NS环氧树脂，粘接力高，为避免污染和机械损伤，用异丙醇清洗复合材料CFRP板和制备的PDMS膜；固化温度22℃，固化时间24h。
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