CN109334971A - 一种基于3d金属打印的直升机桨叶结构设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，包括：将整片桨叶剖分成若干相同的剖面，获得该剖面的翼型数据，由剖面曲线沿展向延伸形成蒙皮曲面；根据气动分布要求在剖面翼型曲线上和曲线内生成若干晶格点，且同一剖面上的晶格点之间通过晶格骨架相连形成若干三角晶格；连接相邻两个剖面上对应的晶格点，形成晶格结构骨架，赋值骨架截面同时赋予蒙皮厚度形成剖面段，多个剖面段就构成半填式桨叶。本发明将晶格结构填入桨叶内部，与蒙皮共同作用，能够很好地承受拉弯扭等载荷，使桨叶设计更简单有效，桨叶更加轻量化，实现工业批量化生产，有效推进3D金属打印直升机桨叶的一体化设计和加工。

Description

一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计
技术领域
本发明涉及一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，属于3D打印桨叶结构设计技术领域。
背景技术
桨叶作为直升机旋翼系统的重要组成部分之一，从木质结构或钢木混合结构构成开始，慢慢发展成金属大梁胶接结构，现在常用的是复合材料结构。复合材料桨叶结构复杂，一般采用模压制造，过程繁琐，费用很高。3D打印技术突破了传统桨叶设计的约束，给予直升机旋翼设计人员更好的设计空间，制造出更具有实用价值的桨叶。需要发展一种能够快速成型的、相对低廉的新型桨叶结构。该专利受到江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJCX18_0095)赞助。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，将晶格填入桨叶内部，与蒙皮共同作用，使桨叶结构设计更简单有效，实现工业批量化生产，推进3D金属打印直升机桨叶的一体化设计和加工。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，包括以下步骤：
a.剖面的分割：给定矩形桨叶的几何气动外形，并将整片桨叶剖分成若干相同的剖面，获得该剖面的翼型数据；
b.蒙皮的设计：由剖面曲线沿展向延伸形成蒙皮曲面，然后向剖面曲线内部拓展给定的厚度值即可形成蒙皮；
c.三角晶格的设计：根据气动分布要求在剖面翼型曲线上和曲线内生成若干晶格点，且同一剖面上的晶格点之间通过晶格骨架相连形成若干三角晶格；
d.三棱柱晶格的设计：通过晶格骨架连接相邻两个剖面上对应的晶格点，构成若干三棱柱晶格结构的骨架线框模型；
e.定义晶格骨架截面的半径，形成晶格结构骨架，由晶格结构骨架与蒙皮共同构成一个桨叶剖面段，多个剖面段构成3D打印晶格骨架桨叶结构。
设计完桨叶后可选择性激光烧结工艺直接制作上述晶格-蒙皮共同作用的3D金属打印的桨叶结构，而后可在桨叶内部空间需要加入一些填充材料，保证桨叶的稳定性。
进一步的，所述步骤a.中相邻剖面之间的间距在桨叶长度的二十分之一内。。
进一步的，所述步骤b.中蒙皮的厚度值在1-2mm内。
进一步的，所述步骤c.中，将剖面翼型分为前、中、后三段，分别根据气动分布要求在各段的剖面翼型曲线上和曲线内生成若干晶格点。
进一步的，所述步骤c.中，根据最小三角形面积的设定规律，同一剖面上的晶格点之间通过晶格骨架相连形成若干三角晶格。
进一步的，所述步骤e.中晶格骨架截面的半径在1mm内。
有益效果：本发明提供的一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，相对于现有技术，具有以下优点：(1)3D打印金属桨叶内部填充的晶格结构可以很好地承受拉弯扭等载荷，与传统的复合材料桨叶内部的复杂结构相比，将晶格填入桨叶内部，与蒙皮共同作用，使桨叶设计更简单有效，桨叶更加轻量化；(2)可利用3D打印技术直接成型，可以大量缩短设计制造周期，降低加工成本，推进3D打印金属的直升机桨叶的一体化设计和加工，同时也拓宽了3D打印技术的应用领域。
附图说明
图1～4为本发明中多种晶格结构的结构示意图；
图5为本发明中三棱柱晶格结构阵列构成长方体试件的结构示意图；
图6为本发明实施例中桨叶剖面上晶格骨架排列方式的结构示意图；
图7为本发明实施例中相邻剖面之间晶格骨架连接方式的结构示意图；
图8为本发明实施例中半填充晶格结构矩形桨叶的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1～4所示为由空间正方体演变而来的多种晶格结构，包括：图1中的阵列顶点结构晶格、图2中的边结构晶格、图3中的三棱柱结构晶格、图4中的体心结构晶格。通过商用软件分析晶格结构的力学特性：首先建立如图5所示的由各种晶格结构阵列构成的长方体模型，要保持模型总质量相等；其次把长方体试验件当作一个整体，一端固定，另一端施加单位载荷，检测数据包括弯曲载荷、压力载荷、扭转载荷；最后经过有限元分析，比较其最大形变、应力以及应变。综合比较得出，其中三棱柱晶格力学性能最好，而且，三棱柱晶格的结构简单，方便参数化建模。因此本发明选择三棱柱晶格结构作为3D打印晶格结构骨架的基本单元。
下面通过具体实施例说明本发明的设计过程。
a.剖面的分割：将整片桨叶剖分成20个相同的剖面，调用NACA0012翼型数据作为矩形桨叶剖面的气动外形，其弦长为60mm，可以得到其翼型数据点；
b.蒙皮的设计：由剖面曲线沿展向延伸形成蒙皮曲面(剖面的翼型曲线“拉伸”与另一个相邻剖面曲线构成蒙皮曲面，定义曲面厚度即可形成蒙皮)，然后向剖面曲线内部拓展1mm的厚度值形成蒙皮；
c.三角晶格的设计：本实施例设计一种半填式晶格的矩形桨叶，其剖面参照复合材料桨叶的设计(如图6)，桨叶前端的设计起到类似C型梁结构的作用，是主要的承受力的部件，其内部由A1、A2、A3、A4、A5五个点控制，其中点A1、A5是在NACA0012翼型曲线上，其位置可用离前缘位置的水平距离a1,a5控制，a1,a5控制其对应点在前缘到四分之一弦线附近；A2、A3、A4为NACA0012翼型曲线内部的点，通过前缘点与A2、A3、A4之间的距离a2、a3、a4控制，且控制在a3＜a2＜a1,a3＜a4＜a5；在C形梁剖面处，上表面蒙皮(包括前缘点)生成8个点，下表面蒙皮(也包括前缘点)生成8个点，其内部选择3个点，两点之间互相连线，构成规则的三角形，填充C形梁。
为了提高桨叶扭转刚度以及支撑桨叶外形，并与最内层蒙皮胶接在一起构成多闭室结构，在桨叶剖面中部添加类似“U”型梁结构，在这里晶格桨叶的“U型梁”在剖面上更像N形，分别由翼型曲线的六个点B1、B2、B3、B4、B5、B6控制，B1、B2、B3、B4、B5、B6这六个点在NACA系列翼型曲线上，位置可用离前缘位置的水平距离b1、b2、b3、b4、b5、b6控制，使得点分布在桨叶剖面中间附近。
复合材料桨叶的“后缘条”位于桨叶后缘上下蒙皮间，用于提高桨叶摆振刚度以对桨叶进行弦向调频。所以本实施例参考其设计理念，把在后缘的部分由翼型曲线上的8个点C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8控制，这些点的位置也用离前缘位置的水平距离c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8来控制，使得点分布在桨叶后缘附近。同样20个剖面都按照以上方法进行设计(上述比例系数都相当于前缘位置而定，远离前缘越远，其比例系数越大，通过调节比例系数的大小，使得点在翼型曲线上的位置产生变化，从而改变整体结构，实现桨叶的质量、重心位置、剪切中心等结构特性以及刚度、强度等力学特性的调整)。
d.三棱柱晶格的设计：如图7所示，通过晶格骨架连接相邻两个剖面上对应的晶格点，构成若干三棱柱晶格结构的骨架线框模型；
e.定义晶格骨架截面的半径，形成晶格结构骨架，由晶格结构骨架与蒙皮共同构成一个桨叶剖面段，多个剖面段构成3D打印晶格骨架桨叶结构。整片桨叶的展向长度为320mm，弦长为60mm，赋予蒙皮的厚度为1mm。为了保持桨叶重心靠近前缘，可使前面晶格骨架更粗一些，后面晶格骨架细一点。前缘的剖面的晶格骨架直径为1.2mm，中间的类似“U”梁的晶格骨架为0.8mm，后缘剖面的晶格骨架为0.5mm，连接剖面的晶格骨架直径为0.8mm。
设计完上述三棱柱晶格填充蒙皮内部的桨叶结构，可以利用选择性激光烧结工艺直接制作晶格-蒙皮共同作用的3D打印的铝合金桨叶；而后在桨叶的内部空间可以适当填充蜂窝和泡沫，其主要作用为维持翼型形状，保证其结构稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，其特征在于，包括以下步骤：
a.剖面的分割：给定矩形桨叶的几何气动外形，并将整片桨叶剖分成若干相同的剖面，获得该剖面的翼型数据；
b.蒙皮的设计：由剖面曲线沿展向延伸形成蒙皮曲面，然后向剖面曲线内部拓展给定的厚度值即可形成蒙皮；
c.三角晶格的设计：根据气动分布要求在剖面翼型曲线上和曲线内生成若干晶格点，且同一剖面上的晶格点之间通过晶格骨架相连形成若干三角晶格；
d.三棱柱晶格的设计：通过晶格骨架连接相邻两个剖面上对应的晶格点，构成若干三棱柱晶格结构的骨架线框模型；
e.定义晶格骨架截面的半径，形成晶格结构骨架，由晶格结构骨架与蒙皮共同构成一个桨叶剖面段，多个剖面段构成3D打印晶格骨架桨叶结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，其特征在于，所述步骤a.中相邻剖面之间的间距在桨叶长度的二十分之一内。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，其特征在于，所述步骤b.中蒙皮的厚度值在1-2mm内。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，其特征在于，所述步骤c.中，将剖面翼型分为前、中、后三段，分别根据气动分布要求在各段的剖面翼型曲线上和曲线内生成若干晶格点。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，其特征在于，所述步骤c.中，根据最小三角形面积的设定规律，同一剖面上的晶格点之间通过晶格骨架相连形成若干三角晶格。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D金属打印的直升机桨叶结构设计，其特征在于，所述步骤e.中晶格骨架截面的半径在1mm内。
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