基于快速成型技術的拋棄式探頭模型設計

陳振濤，葉 松，劉 鳳，王曉蕾，陳曉穎

（解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101）

基于快速成型技術的拋棄式探頭模型設計

陳振濤，葉 松，劉 鳳，王曉蕾，陳曉穎

（解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101）

拋棄式探頭下沉數學模型的有效性及其運動的CFD仿真計算方法，都需要在較短時間內設計并制作模型實物，以進行實驗驗證。利用計算機輔助設計結合三維快速成型技術制作了探頭模型，并在實驗室水箱環境下進行了模型實驗。探頭模型的質量調整精確度較高，變化范圍小于0.6 g，且重量分布均勻，下沉運動方向平穩；可控制其在有效實驗水深內達到需要的下沉速度，利用高速攝像和圖像處理后得到的實驗結果準確可靠，可作為提高CFD仿真計算方法準確性的依據。關鍵詞：拋棄式探頭；探頭模型；模型制作：快速成型

快速成型技術[1-2]（Rapid Prototyping，RP）是近年來迅速發展起來的一種先進的制作技術，可以在沒有任何模具、刀具和工裝的條件下，通過計算機輔助設計，即可快速制作出具有任意復雜形狀的多個實體部件或模型，從而實現“無模制作”，大大縮短了新產品的開發周期并降低研發成本。

目前快速成型技術的工藝方法有十幾種，其中熔融沉積成型法[3-4]（Fused Deposition Modeling，FDM）也稱絲狀材料選擇性熔覆，基本原理為：加熱噴頭在計算機控制下，根據界面輪廓信息作XY平面和高度Z方向運動；絲材由供絲機構送至噴頭，在噴頭中加熱、融化，然后選擇性地涂覆在工作臺上，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。該方法使用維護簡單、成本較低，同時體積小、無污染。

NMOHEMS是新型遠海機動水文環境監測系統[5-6]的簡稱，是將無人機技術、流星余跡通信技術[7]和海洋水文現場探測技術[8]有效結合，適用于突發性、災害性強海洋動力過程的新方法和新體制。主要由無人機及其控制發射機動單元、艦船和岸基用戶單元、流余主站（可機動的控制與數據收集處理單元）和現場探測單元四大部分組成?，F場探測單元內部裝載有探頭，可安裝不同傳感器測量多種水文要素。

拋棄式探頭（本文指NMOHEMS探頭，以下同）由傳感器、數據處理器、信號傳輸線和電池等組成，測量水下800m以內的海洋剖面水文信息，可實現多點和多區域海水剖面要素的同步探測。

與AXBT等類似剖面探頭相比，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。其下落過程可以利用CFD動網格技術進行三維仿真，計算模型的參數設置，需要根據實驗結果進行調整。本文利用計算機輔助設計結合三維快速成型技術（3D Rapid Prototyping）制作探頭模型，以最短的時間對探頭的設計進行評估、修改和實驗，并在實驗室水箱環境中設計模型實驗，以驗證探頭的優化設計結果，并為提高CFD數值仿真方法的準確性提供依據。

1 模型設計

探頭設計涉及材料科學、結構設計、電子技術以及流體力學等多個學科，幾個學科高度關聯、相互耦合。采用多學科設計優化[9]，首先設計探頭的概念模型，建立其多學科優化方程，然后利用協同優化方法求解，根據得到的優化結果提出改進意見，經過反復優化-改進的迭代的過程，最終確定最優設計方案[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

外形設計為彈體狀，頭部為尖拱形，中間為平直段，后部有收縮段，以減少在水中下沉時受到的阻力；中間貫通有導流腔，以確保溫度傳感器及時準確地測量；尾部帶有尾翼，使下沉過程中的運動狀態保持穩定。

密封倉中包括測量電路板、電池和配重物；連接件將密封倉與開放倉隔離，并固定傳感器倉；線扎上纏繞有輔傳輸線（主傳輸線在海面的主浮體內）；傳感器倉可以安裝不同要素的傳感器。密封倉需密封防水并耐高壓，以保護測量電路板和電池；傳感器倉內部與導流腔相通，外部與密封倉相連；開放倉內外均與海水相通。

結構上，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，探頭內部又分為螺帽和螺紋長筒，探頭頭部安裝環形電池、配重物以及測量電路板，探頭尾部包括尾翼，其內部空腔主要為放置線扎和纏繞傳輸線所用，探頭內部放置傳感器，螺帽處留有導線孔，連接傳感器和測量電路板，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、三維打印機和后處理4個過程。如圖3所示，首先根據優化設計方案在CAD中完成探頭各部件的三維模型設計，并轉化為STL格式的圖形文件；CatalystEX應用軟件中對STL文件進行制作屬性設置和打印空間配置，生成CMB文件的模型包，提交給三維打印機進行模型打印；三維打印機采用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）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，按分層時設置的成型路徑，分別沉積在工作臺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，在加熱的強堿中進行超聲波水洗后處理，去除支撐材料。如果需要調整某個部件的設計，則返回CAD中修改其模型，重新打印。各部件打印完成后進行組裝，最終得到探頭模型。

圖3 三維打印成型過程圖

CAD中輸出STL格式時，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產生逼近誤差[11-12]，如圖4(a)所示；調整模型的平滑度和曲面輪廓素線等參數，平滑后的效果見圖4(b)。CatalystEX應用軟件中對STL文件的制作屬性設置包括“分層厚度”、“模型內部”和“支撐填充”等屬性。分層厚度會影響到打印精度和成型時間，選擇層厚為0.254 mm，打印精度較高且成型時間較短；模型內部決定了模型內部實心區域使用的材料密度和成型路徑，選擇實心方式以提高探頭的強度；支撐填充由模型結構的復雜程度決定，用于在成型過程中支撐模型材料，影響支撐強度和成型時間，選擇為基礎方式，如圖4(c)所示，可以實現良好的成型效果。之后還需要選擇模型在制作空間中的打印方向以及多個模型的排列方式，打印方向會影響成型速度、模型強度、表面光滑度和材料消耗等，因探頭各部件多為圓環狀，將中軸線方向設為打印的高度方向，模型的成型效果最好。各部件模型生成相應的CMB文件，將多個模型文件排列在一起組成模型包，作為一次打印作業提交到三維打印機進行打印，如圖4(d)所示，幾個模型排列緊湊，可以縮短打印時間。

圖4 模型打印過程圖

采用的Stratasys公司的Dimension BST 1200三維打印機[13]，經過約18 h的打印成型和4 h的后處理過程，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，它們在螺紋緊固力作用下壓縮，產生彈性變形填滿接觸面之間凹凸不平的縫隙，并維持一定的接觸壓力而達到密封的效果。

3 實驗驗證

利用探頭模型在實驗室有機玻璃水箱中進行實驗，玻璃水箱長和寬為L=0.6 m、高為H=1.8 m，內部裝滿水，實驗環境構造如圖3所示。將攝像機高度調至水箱的中間位置，即為H/2，距離水箱壁面為L0=1.25 m，保持鏡頭水平，并調整焦距f使得鏡頭包含整個水箱。

圖6 實驗環境構造圖

探頭可以通過增減配重物精確調整總質量，增減配重物時應使整個探頭的質量分布均勻，以保證探頭下落的狀態平穩。實驗開始前，首先獲得其在水中懸浮的質量M0=304.32 g；然后增加相應的配重物，設定第一個下沉質量為M1，探頭尾部帶有一薄層鐵環，可以利用電磁鐵將其吸附在水面位置，等待水面穩定后首先觸發高速攝像機開始拍攝，然后將電磁鐵斷電，探頭從水面自由釋放，高速攝像機記錄探頭下沉的全過程；繼續增加其下沉質量，重復釋放和拍攝過程；共拍攝10次不同質量探頭的下沉過程，每個質量拍攝7組視頻作為原始測量結果。

實驗得到探頭的懸浮質量M0=304.32 g，為提高實驗穩定性，設定第一個下沉質量為M1=M0+2×0.56 g，之后依次增加配重物質量0.56 g。

按照上述方法進行實驗，并完成圖像處理和誤差修正。得到其中6個質量探頭在有效實驗水深內達到勻速，質量的變化范圍在3 g以內。6個不同質量探頭下沉的深度與時間關系和深度與速度關系，分別如圖7和圖8所示。

圖7 6個不同質量探頭的下落曲線

圖8 6個不同質量探頭的下落深度與速度曲線

實驗過程中發現，該模型探頭下落速度較慢且運動方向穩定，下沉曲線平滑，因實驗深度較淺，探頭自轉現象不明顯。6個質量探頭均達到勻速狀態，其中305.44 g探頭經過14 s時間，在1.45m有效實驗水深內，達到0.258 1m/s的勻速下落速度，與后續的CFD計算結果[14]吻合較好，驗證了探頭設計和模型制作的有效性。

4 結束語

完成拋棄式探頭模型的制作，并設計進行了有機玻璃水箱實驗，得出主要結論如下：

（1）利用計算機輔助設計結合三維快速成型技術，實現拋棄式探頭模型的制作，可以快速、準確地將設計思想轉化為模型實物，以相對較短的時間對探頭的設計進行評估、修改和實驗，大大縮短了探頭的設計周期；

（2）STL文件的輸出以及打印設置都會對模型的成型時間和成型精度產生較大的影響，最佳成型方案的選擇需要采取不同的設置進行對比；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濟性及較高的成型質量；

（3）實驗室水箱中探頭的質量調整精確度較高，變化范圍小于0.6 g，且重量分布均勻，重心在前且非常穩定，下沉運動方向平穩；可通過精確調整探頭質量，控制探頭在有效實驗水深內達到需要的下沉速度，甚至達到較小速度的勻速狀態；

（4）利用制作的探頭模型，進行的實驗室玻璃水箱實驗方法，結果準確可靠，可以作為提高CFD仿真計算方法準確性的依據。

[1]陳勝利.快速成型技術及其發展趨勢[J].制造業自動化,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及其應用[J].機械科學與技術,2008,27(9):1184-1186,1190.

[3]劉斌,王福禎,等.熔融堆積成型系統中結構自動生成算法的研究[J].機電工程技術,2010,30(3):23-25.

[4]黃小毛.熔絲沉積成形若干關鍵技術研究[D].武漢:華中科技大學,2009.

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

[6]葉松,王曉蕾,周延年,等.遠海機動水文環境監測系統技術研究與設計[J].儀器儀表學報,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傳輸海洋數據[J].儀器儀表學報,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.基于多學科協同優化的NMOHEMS剖面探頭設計[J].儀器儀表學報,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,黃樹槐.基于STL文件的階梯剖分算法研究[J].華中科技大學學報:自然科學版,2004,32(s):19-22.

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

[14]陳振濤,葉松,王曉蕾,等.NMOHEMS剖面探頭阻力系數數值計算與實驗[J].解放軍理工大學學報（自然科學版）,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

國家自然科學基金資助項目（41406107）

陳振濤（1983-），男，博士，講師，研究方向為海洋探測技術。E-mail:czt1212@126.com