基于快速成型技術(shù)的拋棄式探頭模型設(shè)計(jì)

陳振濤，葉 松，劉 鳳，王曉蕾，陳曉穎

（解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101）

基于快速成型技術(shù)的拋棄式探頭模型設(shè)計(jì)

陳振濤，葉 松，劉 鳳，王曉蕾，陳曉穎

（解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101）

拋棄式探頭下沉數(shù)學(xué)模型的有效性及其運(yùn)動(dòng)的CFD仿真計(jì)算方法，都需要在較短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并制作模型實(shí)物，以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合三維快速成型技術(shù)制作了探頭模型，并在實(shí)驗(yàn)室水箱環(huán)境下進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)。探頭模型的質(zhì)量調(diào)整精確度較高，變化范圍小于0.6 g，且重量分布均勻，下沉運(yùn)動(dòng)方向平穩(wěn)；可控制其在有效實(shí)驗(yàn)水深內(nèi)達(dá)到需要的下沉速度，利用高速攝像和圖像處理后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可作為提高CFD仿真計(jì)算方法準(zhǔn)確性的依據(jù)。關(guān)鍵詞：拋棄式探頭；探頭模型；模型制作：快速成型

快速成型技術(shù)[1-2]（Rapid Prototyping，RP）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的制作技術(shù)，可以在沒(méi)有任何模具、刀具和工裝的條件下，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即可快速制作出具有任意復(fù)雜形狀的多個(gè)實(shí)體部件或模型，從而實(shí)現(xiàn)“無(wú)模制作”，大大縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期并降低研發(fā)成本。

目前快速成型技術(shù)的工藝方法有十幾種，其中熔融沉積成型法[3-4]（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）也稱(chēng)絲狀材料選擇性熔覆，基本原理為：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)界面輪廓信息作XY平面和高度Z方向運(yùn)動(dòng)；絲材由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，在噴頭中加熱、融化，然后選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面輪廓，層層疊加最終成為快速原型。該方法使用維護(hù)簡(jiǎn)單、成本較低，同時(shí)體積小、無(wú)污染。

NMOHEMS是新型遠(yuǎn)海機(jī)動(dòng)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5-6]的簡(jiǎn)稱(chēng)，是將無(wú)人機(jī)技術(shù)、流星余跡通信技術(shù)[7]和海洋水文現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)[8]有效結(jié)合，適用于突發(fā)性、災(zāi)害性強(qiáng)海洋動(dòng)力過(guò)程的新方法和新體制。主要由無(wú)人機(jī)及其控制發(fā)射機(jī)動(dòng)單元、艦船和岸基用戶(hù)單元、流余主站（可機(jī)動(dòng)的控制與數(shù)據(jù)收集處理單元）和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)單元四大部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)單元內(nèi)部裝載有探頭，可安裝不同傳感器測(cè)量多種水文要素。

拋棄式探頭（本文指NMOHEMS探頭，以下同）由傳感器、數(shù)據(jù)處理器、信號(hào)傳輸線(xiàn)和電池等組成，測(cè)量水下800m以?xún)?nèi)的海洋剖面水文信息，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)和多區(qū)域海水剖面要素的同步探測(cè)。

與AXBT等類(lèi)似剖面探頭相比，拋棄式探頭具有外形更小、下沉速度更慢、深度分辨率更高等特點(diǎn)。其下落過(guò)程可以利用CFD動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行三維仿真，計(jì)算模型的參數(shù)設(shè)置，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。本文利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合三維快速成型技術(shù)（3D Rapid Prototyping）制作探頭模型，以最短的時(shí)間對(duì)探頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估、修改和實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)室水箱環(huán)境中設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，并為提高CFD數(shù)值仿真方法的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)

探頭設(shè)計(jì)涉及材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子技術(shù)以及流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，幾個(gè)學(xué)科高度關(guān)聯(lián)、相互耦合。采用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化[9]，首先設(shè)計(jì)探頭的概念模型，建立其多學(xué)科優(yōu)化方程，然后利用協(xié)同優(yōu)化方法求解，根據(jù)得到的優(yōu)化結(jié)果提出改進(jìn)意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化-改進(jìn)的迭代的過(guò)程，最終確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[10]，探頭的外形及各部件分布如圖1所示。

圖1 探頭的外形及各部件分布圖

外形設(shè)計(jì)為彈體狀，頭部為尖拱形，中間為平直段，后部有收縮段，以減少在水中下沉?xí)r受到的阻力；中間貫通有導(dǎo)流腔，以確保溫度傳感器及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量；尾部帶有尾翼，使下沉過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持穩(wěn)定。

密封倉(cāng)中包括測(cè)量電路板、電池和配重物；連接件將密封倉(cāng)與開(kāi)放倉(cāng)隔離，并固定傳感器倉(cāng)；線(xiàn)扎上纏繞有輔傳輸線(xiàn)（主傳輸線(xiàn)在海面的主浮體內(nèi)）；傳感器倉(cāng)可以安裝不同要素的傳感器。密封倉(cāng)需密封防水并耐高壓，以保護(hù)測(cè)量電路板和電池；傳感器倉(cāng)內(nèi)部與導(dǎo)流腔相通，外部與密封倉(cāng)相連；開(kāi)放倉(cāng)內(nèi)外均與海水相通。

結(jié)構(gòu)上，拋棄式探頭共分為：探頭頭部、探頭尾部、探頭中部和探頭內(nèi)部四部分，三維效果如圖2所示。

圖2 探頭各部件的三維效果圖

其中，探頭內(nèi)部又分為螺帽和螺紋長(zhǎng)筒，探頭頭部安裝環(huán)形電池、配重物以及測(cè)量電路板，探頭尾部包括尾翼，其內(nèi)部空腔主要為放置線(xiàn)扎和纏繞傳輸線(xiàn)所用，探頭內(nèi)部放置傳感器，螺帽處留有導(dǎo)線(xiàn)孔，連接傳感器和測(cè)量電路板，探頭中部將所有部件連接成整體，各部件之間采用三角形螺紋進(jìn)行連接。

2 模型制作

三維打印成型主要包括CAD、CatalystEX、三維打印機(jī)和后處理4個(gè)過(guò)程。如圖3所示，首先根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在CAD中完成探頭各部件的三維模型設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)化為STL格式的圖形文件；CatalystEX應(yīng)用軟件中對(duì)STL文件進(jìn)行制作屬性設(shè)置和打印空間配置，生成CMB文件的模型包，提交給三維打印機(jī)進(jìn)行模型打?。蝗S打印機(jī)采用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）方式，利用雙熱熔噴頭加熱并擠出ABS成型材料和可溶性支撐材料，按分層時(shí)設(shè)置的成型路徑，分別沉積在工作臺(tái)的指定位置逐層沉積，形成探頭各部件的模型；模型打印完成后，在加熱的強(qiáng)堿中進(jìn)行超聲波水洗后處理，去除支撐材料。如果需要調(diào)整某個(gè)部件的設(shè)計(jì)，則返回CAD中修改其模型，重新打印。各部件打印完成后進(jìn)行組裝，最終得到探頭模型。

圖3 三維打印成型過(guò)程圖

CAD中輸出STL格式時(shí)，將模型的表面離散成一系列小三角形面片的組合，與CAD中原模型的光滑表面之間會(huì)產(chǎn)生逼近誤差[11-12]，如圖4(a)所示；調(diào)整模型的平滑度和曲面輪廓素線(xiàn)等參數(shù)，平滑后的效果見(jiàn)圖4(b)。CatalystEX應(yīng)用軟件中對(duì)STL文件的制作屬性設(shè)置包括“分層厚度”、“模型內(nèi)部”和“支撐填充”等屬性。分層厚度會(huì)影響到打印精度和成型時(shí)間，選擇層厚為0.254 mm，打印精度較高且成型時(shí)間較短；模型內(nèi)部決定了模型內(nèi)部實(shí)心區(qū)域使用的材料密度和成型路徑，選擇實(shí)心方式以提高探頭的強(qiáng)度；支撐填充由模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度決定，用于在成型過(guò)程中支撐模型材料，影響支撐強(qiáng)度和成型時(shí)間，選擇為基礎(chǔ)方式，如圖4(c)所示，可以實(shí)現(xiàn)良好的成型效果。之后還需要選擇模型在制作空間中的打印方向以及多個(gè)模型的排列方式，打印方向會(huì)影響成型速度、模型強(qiáng)度、表面光滑度和材料消耗等，因探頭各部件多為圓環(huán)狀，將中軸線(xiàn)方向設(shè)為打印的高度方向，模型的成型效果最好。各部件模型生成相應(yīng)的CMB文件，將多個(gè)模型文件排列在一起組成模型包，作為一次打印作業(yè)提交到三維打印機(jī)進(jìn)行打印，如圖4(d)所示，幾個(gè)模型排列緊湊，可以縮短打印時(shí)間。

圖4 模型打印過(guò)程圖

采用的Stratasys公司的Dimension BST 1200三維打印機(jī)[13]，經(jīng)過(guò)約18 h的打印成型和4 h的后處理過(guò)程，各部件及探頭模型如圖5所示，制作的探頭模型具有較高的強(qiáng)度和成型精度。

圖5 探頭模型各部件及裝配圖

在探頭頭部添加環(huán)形配重物，使得軸心方向重量分布均勻，重心位置前移。各部件之間用三角形螺紋進(jìn)行連接，在裝配間隙放置防水墊圈，螺紋之間安放固體密封件，它們?cè)诼菁y緊固力作用下壓縮，產(chǎn)生彈性變形填滿(mǎn)接觸面之間凹凸不平的縫隙，并維持一定的接觸壓力而達(dá)到密封的效果。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用探頭模型在實(shí)驗(yàn)室有機(jī)玻璃水箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，玻璃水箱長(zhǎng)和寬為L(zhǎng)=0.6 m、高為H=1.8 m，內(nèi)部裝滿(mǎn)水，實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)造如圖3所示。將攝像機(jī)高度調(diào)至水箱的中間位置，即為H/2，距離水箱壁面為L(zhǎng)0=1.25 m，保持鏡頭水平，并調(diào)整焦距f使得鏡頭包含整個(gè)水箱。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)造圖

探頭可以通過(guò)增減配重物精確調(diào)整總質(zhì)量，增減配重物時(shí)應(yīng)使整個(gè)探頭的質(zhì)量分布均勻，以保證探頭下落的狀態(tài)平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先獲得其在水中懸浮的質(zhì)量M0=304.32 g；然后增加相應(yīng)的配重物，設(shè)定第一個(gè)下沉質(zhì)量為M1，探頭尾部帶有一薄層鐵環(huán)，可以利用電磁鐵將其吸附在水面位置，等待水面穩(wěn)定后首先觸發(fā)高速攝像機(jī)開(kāi)始拍攝，然后將電磁鐵斷電，探頭從水面自由釋放，高速攝像機(jī)記錄探頭下沉的全過(guò)程；繼續(xù)增加其下沉質(zhì)量，重復(fù)釋放和拍攝過(guò)程；共拍攝10次不同質(zhì)量探頭的下沉過(guò)程，每個(gè)質(zhì)量拍攝7組視頻作為原始測(cè)量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)得到探頭的懸浮質(zhì)量M0=304.32 g，為提高實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性，設(shè)定第一個(gè)下沉質(zhì)量為M1=M0+2×0.56 g，之后依次增加配重物質(zhì)量0.56 g。

按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并完成圖像處理和誤差修正。得到其中6個(gè)質(zhì)量探頭在有效實(shí)驗(yàn)水深內(nèi)達(dá)到勻速，質(zhì)量的變化范圍在3 g以?xún)?nèi)。6個(gè)不同質(zhì)量探頭下沉的深度與時(shí)間關(guān)系和深度與速度關(guān)系，分別如圖7和圖8所示。

圖7 6個(gè)不同質(zhì)量探頭的下落曲線(xiàn)

圖8 6個(gè)不同質(zhì)量探頭的下落深度與速度曲線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該模型探頭下落速度較慢且運(yùn)動(dòng)方向穩(wěn)定，下沉曲線(xiàn)平滑，因?qū)嶒?yàn)深度較淺，探頭自轉(zhuǎn)現(xiàn)象不明顯。6個(gè)質(zhì)量探頭均達(dá)到勻速狀態(tài)，其中305.44 g探頭經(jīng)過(guò)14 s時(shí)間，在1.45m有效實(shí)驗(yàn)水深內(nèi)，達(dá)到0.258 1m/s的勻速下落速度，與后續(xù)的CFD計(jì)算結(jié)果[14]吻合較好，驗(yàn)證了探頭設(shè)計(jì)和模型制作的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

完成拋棄式探頭模型的制作，并設(shè)計(jì)進(jìn)行了有機(jī)玻璃水箱實(shí)驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

（1）利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合三維快速成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)拋棄式探頭模型的制作，可以快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為模型實(shí)物，以相對(duì)較短的時(shí)間對(duì)探頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估、修改和實(shí)驗(yàn)，大大縮短了探頭的設(shè)計(jì)周期；

（2）STL文件的輸出以及打印設(shè)置都會(huì)對(duì)模型的成型時(shí)間和成型精度產(chǎn)生較大的影響，最佳成型方案的選擇需要采取不同的設(shè)置進(jìn)行對(duì)比；可以先將曲率變化最大的部件縮小N倍的方法確定成型方案，以保證模型制作的經(jīng)濟(jì)性及較高的成型質(zhì)量；

（3）實(shí)驗(yàn)室水箱中探頭的質(zhì)量調(diào)整精確度較高，變化范圍小于0.6 g，且重量分布均勻，重心在前且非常穩(wěn)定，下沉運(yùn)動(dòng)方向平穩(wěn)；可通過(guò)精確調(diào)整探頭質(zhì)量，控制探頭在有效實(shí)驗(yàn)水深內(nèi)達(dá)到需要的下沉速度，甚至達(dá)到較小速度的勻速狀態(tài)；

（4）利用制作的探頭模型，進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室玻璃水箱實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以作為提高CFD仿真計(jì)算方法準(zhǔn)確性的依據(jù)。

[1]陳勝利.快速成型技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(10):24-26.

[2]劉厚才,莫健華,劉海濤.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008,27(9):1184-1186,1190.

[3]劉斌,王福禎,等.熔融堆積成型系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成算法的研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2010,30(3):23-25.

[4]黃小毛.熔絲沉積成形若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[5]葉松,王曉蕾,焦冰，等.NMOHEMS的概念與設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù),2010,29(1):28-31.

[6]葉松,王曉蕾,周延年,等.遠(yuǎn)海機(jī)動(dòng)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(8):256-260.

[7]周延年,葉松,鄭君杰,等.利用流星余跡通信系統(tǒng)傳輸海洋數(shù)據(jù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(8):486-489.

[8]ShoichiKizu,HiroyukiYoritaka，Kimio Hanwa.ANew Fall-Rate Equation for T-5 Expendable Bathythermograph(XBT)by TSK[J]. JournalofOceanography，2005,61:115-121.

[9]TKobayashi,IKroo.The New Effective MDOMethod Based on Collaborative Optimization[C]//AIAA-2005-4799,35th AIAA Fluid DynamicsConferenceand Exhibit,Toronto,Ontario,June 6-9,2005:1051-1059.

[10]陳振濤,葉松,王曉蕾,等.基于多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化的NMOHEMS剖面探頭設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(7):1653-1660.

[11]K B Guo,L C Zhang,C JWang,et al.Boolean Operations of STLModels Based on Loop Detection[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，33:627-633.

[12]陳圓,王從軍,黃樹(shù)槐.基于STL文件的階梯剖分算法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,32(s):19-22.

[13]Dimension BST 1200UsersManual[M].Stratasys Inc,2010

[14]陳振濤,葉松,王曉蕾,等.NMOHEMS剖面探頭阻力系數(shù)數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,13(3): 349-354.

Model Design for an Expendable Probe Based on the Rapid Prototyping Techniques

CHEN Zhen-tao,YE Song,LIU Feng,WANG Xiao-lei,CHEN Xiao-ying
College ofMeteorology and Oceanography,PLA University of Science&Technology,Nanjing 211101,Jiangsu Province,China

The validity of the sinkingmathematicsmodel of an expendable probe and the CFDmethod formotion simulation and calculation both need model experiment verification after designing and fabricating the model within a short period of time.The model of the probe is made using the CAD and 3D rapid prototyping techniques,and model experiments are designed and completed under the plume environment.Several lowermass probes are measured precisely by high-speed camera and image manipulation in finite depth,and the mass variation is less than 0.6 g,with balanced weight distribution and stable sinking direction.The sinking velocity can be controlled in the effective experiment depth in the plume laboratory environment,and the results are accurate and reliable,which is proved by high speed camera and image manipulation.The results in this paper can provide a basis for enhancing the accuracy of the CFD simulationmethod.

expendable probe;probemodel;model fabrication;rapid prototyping

P716+.1

A

1003-2029（2017）01-0042-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.008

2015-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41406107）

陳振濤（1983-），男，博士，講師，研究方向?yàn)楹Ｑ筇綔y(cè)技術(shù)。E-mail:czt1212@126.com