CN112556972B - 砂纸冰模拟装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种砂纸冰模拟装置(10)，包括：基层(1)，基层(1)包括第一侧和与第一侧相对的第二侧；胶层(2)，胶层(2)涂覆在基层(1)的第一侧上；以及金刚砂层(3)，金刚砂层(3)由均匀铺设的金刚砂单体组成，并且至少部分地形成在基层(1)的第二侧上。上述砂纸冰模拟装置能够在风洞试验中替代传统模拟手段方便高效地模拟砂纸冰。本发明还涉及一种使用如上所述的砂纸冰模拟装置(10)对模型(20)进行砂纸冰模拟的方法。

Description

砂纸冰模拟装置及其使用方法

技术领域

本发明针对风洞试验中的砂纸冰模拟方法进行改进。更具体地说，本发明涉及一种砂纸冰模拟装置及其使用方法。

背景技术

结冰条件下的飞机性能和操纵品质是考核飞机安全性的重要因素。为表明民用客机具有在中国民用航空规章第25部(CCAR-25-R4)附录C结冰气象条件下安全飞行的能力，需要进行在相关结冰条件下的演示飞行。为此，通常需要在前期进行带模拟冰型的风洞试验，为带模拟冰型的干空气试飞和自然结冰试飞提供相应的气动数据输入。

带模拟冰型的风洞试验通常需要对各种形状的冰型进行模拟，其中砂纸冰是一种短时间结冰条件下的粗糙度冰，主要在飞机起飞阶段、防冰系统延迟打开阶段、飞行冰污染等特定情况下产生。这种砂纸冰甚至会比羊角冰带来更大的飞行威胁，因此需要在风洞试验中进行试验模拟。

某型号飞机根据附录C的结冰条件，结合多种运营包线，需要验证多种砂纸冰的气动影响。但是由于砂纸冰缩比后颗粒差异较小，因此需要在风洞试验中进行精确的差异性模拟。另外，在风洞试验中，由于试验段尺寸限制，模型需要进行相应缩比。在缩比模型上使用传统的砂纸冰模拟手段会为气动力的精细研究带来很多问题。

传统的砂纸冰模拟手段主要有成品打磨砂纸和胶粘金刚砂两种形式。

成品打磨砂纸主要用于打磨抛光零件，其通常使用柔韧性较差的硬质纸板构成。然而，由于飞机需要粘贴的部位大多为小尺寸、大曲率的机翼或平尾前缘，成品打磨砂纸一般无法与模型表面完全贴合，从而产生间隙。

此外，成品砂纸厚度至少在1mm左右，加上胶层厚度，在模型表面粘贴砂纸会产生至少1mm的气流台阶，从而破坏模型的气动外形，所造成的影响往往超过了金刚砂本身。

由此，也经常使用在模型表面喷胶水或发胶、然后喷撒金刚砂的方式模拟砂纸冰。

该方法首先需要确定模拟区域，在需要的展向及弦向位置区域上喷涂一层胶水，其它区域则用铝箔胶带覆盖，防止误喷。其次，在胶层覆盖区域撒上或吹上金刚砂粒，待胶水固化后检查砂粒均匀性，对没有被砂粒覆盖的区域重复喷胶及吹撒砂粒过程。最后，待胶水完全固化后揭去其余铝箔胶带，清理模型表面并进行试验。

该方法的主要缺点包括：

i)胶水和金刚砂喷洒均为手工操作，由于金刚砂的粗糙表面容易与胶水浸润而局部簇成一团或局部无砂纸，因此很难模拟出均匀的结冰效果；

ii)模拟步骤较为繁琐，胶水每固化一次需要约15分钟，在冬季气温低时耗时则会更长。试验结束后，还需要清理模型表面胶层与金刚砂粒。由于现阶段风洞试验场地通常按占洞时间收费，致使该模拟手段经济性较差；

iii)胶粘强度较弱，同一构型多次吹风后会致使砂纸明显脱落。此时，还需补喷砂纸，导致均匀性更差。

因此，目前需要研制一种用于风洞试验的砂纸冰模拟手段，其能够在风洞试验中精准、简便地模拟砂纸冰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种砂纸冰模拟装置，该砂纸冰模拟装置能够在风洞试验中替代传统模拟手段方便高效地模拟砂纸冰。

本发明的第一方面涉及一种砂纸冰模拟装置，包括：

基层，基层包括第一侧和与第一侧相对的第二侧；

胶层，胶层涂覆在基层的第一侧上；以及

金刚砂层，金刚砂层由均匀铺设的金刚砂单体组成，并且至少部分地形成在基层的第二侧上。

在一个较佳实施例中，金刚砂单体的颗粒度可以为30#至1000#。

在另一个较佳实施例中，金刚砂单体的铺设密度可以为50％至100％。

在又一个较佳实施例中，基层的厚度可以为0.1mm以下。

在再一个较佳实施例中，基层可以由带光滑表面的基底制成。

更佳的是，金刚砂层可以沿基层的长度方向形成在基层的宽度方向的至少一半的面积上，优选地形成在基层的宽度方向的至少三分之一的面积上。

需要说明的是，由于基层的长度方向与宽度方向与砂纸冰模拟装置的长度方向与宽度方向等同，因此在实际使用期间，两者可以彼此替代。

在又一个较佳实施例中，还可以包括背衬，背衬覆盖胶层以防止砂纸冰模拟装置的不期望的粘贴。

本发明的另一方面涉及一种使用如上所述的砂纸冰模拟装置对模型进行砂纸冰模拟的方法，包括以下步骤：

a)根据模拟要求选择具有期望的颗粒度和/或铺设密度的金刚砂单体的砂纸冰模拟装置；

b)确定模型表面需要进行砂纸冰模拟的展向及弦向位置；

c)根据展向及弦向位置剪裁砂纸冰模拟装置；

d)将砂纸冰模拟装置粘贴到模型；

e)进行砂纸冰模拟试验；以及

f)完成试验后撕除和/或重新粘贴砂纸冰模拟装置。

需要说明的是，术语“模型”不仅涉及民用飞机，而且还涉及需要进行砂纸冰模拟试验的无人机或大型风电设备的叶片等。

在一个较佳实施例中，在步骤d)中可以将砂纸冰模拟装置中具有金刚砂层的部分粘贴到模型的需要进行砂纸冰模拟的区域中，并且将砂纸冰模拟装置中不具有金刚砂层的部分粘贴到模型的不需要进行砂纸冰模拟的区域中。

或者，在步骤d)中可以将砂纸冰模拟装置中具有金刚砂层的部分剪裁并粘贴到模型的需要进行砂纸冰模拟的区域中。

根据本发明的砂纸冰模拟装置具有以下优点：

将本发明的砂纸冰模拟装置用于民机的诸如风洞试验能够极大程度地提高模拟效率，节省之前在风洞内喷涂胶层、吹撒金刚砂粒、胶层固化以及清理胶层的时间。经估算，每车次试验至少能节约半小时的时间。此外，铺设在砂纸冰模拟装置上的金刚砂层能够很好地保证金刚砂粒的均匀性，更好地对砂纸冰进行模拟。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的砂纸冰模拟装置的结构及其使用方法，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的砂纸冰模拟装置的局部横断面示意图；

图2是图1所示的砂纸冰模拟装置的平面示意图；以及

图3是将图1所示的砂纸冰模拟装置粘贴到模型上的示意图。

附图标记

1 基层

2 胶层

3 金刚砂层

4 背衬

10 砂纸冰模拟装置

20 模型

T 厚度

L 长度方向

W 宽度方向

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的砂纸冰模拟装置的结构及其使用方法，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

应当明确，本说明书所描述的实施例仅仅涵盖本发明的一部分实施例，而非全部实施例。基于说明书中记载的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明要求保护的范围。

除非另有定义，说明书中所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，而不是旨在于限制本发明。

例如，本说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序或主次关系。在本说明书和权利要求书中使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

如图1所示，根据本发明的砂纸冰模拟装置10具有多层结构。具体来说，砂纸冰模拟装置10是一种粘贴式砂纸，它通常由基层1、胶层2、金刚砂层3和背衬4组成。在图1所示的实施例中，金刚砂层3、基层1、胶层2和背衬4由上至下依次排列并构成一体。

基层1通常由带光滑表面的基底制成。例如，基层1可以由塑料基底制成。这样，当基层1未铺设金刚砂单体时，其表面应当是光滑的。基层1的厚度T应当选择为0.1mm或更小。

基层1包括第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中，胶层2涂覆在基层1的第一侧上，金刚砂层3形成在基层1的第二侧。也就是说，胶层2和金刚砂层3分别形成在基层1的相对两侧。

胶层2可由任何能够将砂纸冰模拟装置10粘贴到模型20的胶粘剂构成，例如，胶层2可由树脂粘结剂构成，这样的树脂粘结剂包括但不限于热固性粘结剂(如环氧树脂粘结剂、聚氨酯粘结剂等)、耐热性粘结剂(如聚酰亚胺粘结剂)、厌氧型粘结剂、压敏型粘结剂等。

胶层2的厚度极小。与基层1相比，胶层2的厚度几乎可以忽略不计。这样，当测试人员将砂纸冰模拟装置10粘贴在要进行模拟的模型20上，不会因为过大的厚度形成气流台阶，从而避免如传统的成品打磨砂纸那样破坏模型20的气动外形。

胶层2在其基层1粘贴侧的相对侧上还贴敷有背衬4，背衬4覆盖胶层2以防止砂纸冰模拟装置10的不期望的粘贴。也就是说，基层1和背衬4分别施加在胶层2的相对两侧。此外，背衬4还可以防止胶层2的粘结剂掉落，方便了砂纸冰模拟装置10的存储及使用。这样，在使用砂纸冰模拟装置10时，测试人员能够容易地揭下背衬4并将砂纸冰模拟装置10粘贴到模型20的期望的展向及弦向位置。本领域的普通技术人员可以根据实际应用确定背衬4的材质及厚度，本文不再赘述。

金刚砂层3由均匀铺设的金刚砂单体组成。如图1所示，为便于说明，每个金刚砂单体均被示意性地示意为圆形。金刚砂单体的颗粒度通常从30#至1000#。本领域的普通技术人员可以借助专业技术手册查询到该范围内的某个颗粒度的具体信息，此处不再过多解释。

此外，金刚砂单体的铺设密度可以为50％至100％。如图1所示，当每个金刚砂单体彼此相互接触时，金刚砂单体的铺设密度达到了100％。当金刚砂单体的铺设密度低于100％时，每个金刚砂单体彼此之间存在间隙。测试人员可以根据实际模拟要求确定金刚砂单体的颗粒度和/或铺设密度。

图2是图1所示的砂纸冰模拟装置10的平面示意图。可以看到，金刚砂层3至少部分地形成在基层1的第二侧上。也就是说，金刚砂层3可以形成在基层1的第二侧的全部面积上，也可以仅形成在基层1的第二侧的部分面积上。

如图2所示，设定基层1的长度方向为L，基层1的宽度方向为W，则金刚砂层3沿基层1的长度方向L形成在基层1的宽度方向W的至少一半的面积上，更佳地是，金刚砂层3沿基层1的长度方向L形成在基层1的宽度方向W的至少三分之一的面积上。

换句话说，当金刚砂层3沿基层1的长度方向L形成在基层1的宽度方向W的至少一半的面积上时，所形成的金刚砂层3长度与砂纸冰模拟装置10的长度相同，而宽度为砂纸冰模拟装置10的宽度的一半。此时，砂纸冰模拟装置10的基层1有一半的面积铺设有金刚砂单体，而另一半则是基层1的光滑表面。

同理，当金刚砂层3沿基层1的长度方向L形成在基层1的宽度方向W的至少三分之一的面积上时，所形成的金刚砂层3长度与砂纸冰模拟装置10的长度相同，而宽度为砂纸冰模拟装置10的宽度的三分之一。此时，砂纸冰模拟装置10的基层1有三分之一的面积铺设有金刚砂单体，而另外三分之二则是基层1的光滑表面。

当然，本领域的普通技术人员也可以根据实际情况合理地确定金刚砂层3在基层1上的铺设面积比，包括但不限于大于基层1一半的面积或小于基层1三分之一的面积。

下面将结合图3介绍使用根据本发明的砂纸冰模拟装置10对模型20进行砂纸冰模拟的方法。

上述方法包括以下步骤：

a)根据模拟要求选择具有期望的颗粒度和/或铺设密度的金刚砂单体的砂纸冰模拟装置10；

b)确定模型20表面需要进行砂纸冰模拟的展向及弦向位置；

c)根据已确定的展向及弦向位置剪裁砂纸冰模拟装置10；

d)将砂纸冰模拟装置10粘贴到模型20，并且可选地检查砂纸冰模拟装置10是否粘贴牢固；

e)进行砂纸冰模拟试验；以及

f)完成试验后撕除和/或重新粘贴砂纸冰模拟装置10。

如图3所示，在上述步骤d)中，测试人员应当将砂纸冰模拟装置10中具有金刚砂层3的部分(如图中带阴影的部分)粘贴到模型20的需要进行砂纸冰模拟的区域中，并且将砂纸冰模拟装置10中不具有金刚砂层3的部分(如图中不带阴影的部分)粘贴到模型20的不需要进行砂纸冰模拟的区域中。

这样，能够增加砂纸冰模拟装置10的粘贴面积，避免由于粘贴接缝与模型(如，机翼前缘)吸力峰重合所导致的不期望的脱落，从而使得砂纸冰模拟装置10的粘贴牢固、便于撕贴。

当然，如果忽略脱落风险的话，在上述步骤d)中也可以将砂纸冰模拟装置10中具有金刚砂层3的部分单独剪裁下来，并粘贴到模型20的需要进行砂纸冰模拟的区域中。这样的使用步骤也应当落在本发明的保护范围之内。

采用本发明的砂纸冰模拟装置能够极大程度地提高模拟效率，节省之前在风洞内喷涂胶层、吹撒金刚砂粒、胶层固化以及清理胶层的时间。此外，砂纸冰模拟装置上的金刚砂层能够很好地保证金刚砂粒的均匀性，更好地对砂纸冰进行模拟。

虽然根据本发明的砂纸冰模拟装置用于模拟民用大型飞机在砂纸冰结冰条件下的工况，但本领域的普通技术人员应当理解的是，其应用领域并不仅限于此。例如，上述砂纸冰模拟装置也可以用于小型无人机或者大型风电设备的叶片等的砂纸冰模拟。这些应用均应当被纳入到本发明所要求保护的范围之内。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的砂纸冰模拟装置的结构及其使用方法进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种砂纸冰模拟装置(10)，包括：

基层(1)，所述基层(1)包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；

胶层(2)，所述胶层(2)涂覆在所述基层(1)的所述第一侧上；以及

金刚砂层(3)，所述金刚砂层(3)由均匀铺设的金刚砂单体组成，并且至少部分地形成在所述基层(1)的所述第二侧上。

2.如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)，其特征在于，所述金刚砂单体的颗粒度为30#至1000#。

3.如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)，其特征在于，所述金刚砂单体的铺设密度为50％至100％。

4.如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)，其特征在于，所述基层(1)的厚度(T)为0.1mm以下。

5.如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)，其特征在于，所述基层(1)由带光滑表面的基底制成。

6.如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)，其特征在于，所述金刚砂层(3)沿所述基层(1)的长度方向(L)形成在所述基层(1)的宽度方向(W)的至少一半的面积上。

7.如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)，其特征在于，还包括背衬(4)，所述背衬(4)覆盖所述胶层(2)以防止所述砂纸冰模拟装置(10)的不期望的粘贴。

8.一种使用如权利要求1所述的砂纸冰模拟装置(10)对模型(20)进行砂纸冰模拟的方法，包括以下步骤：

a)根据模拟要求选择具有期望的颗粒度和/或铺设密度的金刚砂单体的砂纸冰模拟装置(10)；

b)确定所述模型(20)表面需要进行砂纸冰模拟的展向及弦向位置；

c)根据所述展向及弦向位置剪裁所述砂纸冰模拟装置(10)；

d)将所述砂纸冰模拟装置(10)粘贴到所述模型；

e)进行砂纸冰模拟试验；以及

f)完成试验后撕除和/或重新粘贴所述砂纸冰模拟装置(10)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述砂纸冰模拟装置(10)中具有所述金刚砂层(3)的部分粘贴到所述模型(20)的需要进行砂纸冰模拟的区域中，并且将所述砂纸冰模拟装置(10)中不具有所述金刚砂层(3)的部分粘贴到所述模型(20)的不需要进行砂纸冰模拟的区域中。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述砂纸冰模拟装置(10)中具有所述金刚砂层(3)的部分剪裁并粘贴到所述模型(20)的需要进行砂纸冰模拟的区域中。

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