利用仿真对增材制造的火箭部件进行认证

作者:Dieter Hummel,德国奥托布伦ArianeGroup公司热力学工程师;以及Roger Schlegel,德国魏玛Dynardo公司咨询总监

随着航空航天行业开始采用增材制造,工程师必须验证组件是否能够在严苛的环境中正常工作,因为运载火箭中哪怕出现一个故障就有可能导致太空任务中止。当引入新的生产技术时,由于在满足目标质量之前必须生产和验证众多部件,因此传统的试错验证过程不仅非常耗时而且成本高昂。ArianeGroup采用ANSYS和Dynardo软件创建了基于仿真的工作流程,不仅能预测部件质量,而且还有望大幅减少传统方法所需的过程时间。

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engineering simulation rocket part

ArianeGroup rocket

避免任务失败是运载火箭的首要要求。每次失败都会浪费大约1.5亿美元的发射费用,而且可能会损失价值数亿美元、需要耗时数年才能建造的卫星。从2003年4月到2017年12月,ArianeGroup的Ariane 5重型运载火箭已连续82次成功地将有效载荷发射到地球同步转移轨道(GTO)或近地轨道(LEO),成功率100%!ArianeGroup目前正在研发新一代Ariane 6运载火箭,其性能可与Ariane 5媲美,但制造成本与发射费用更低。Ariane 6采用金属增材制造技术,不但可降低制造成本和缩短研制周期,同时还能减少部件重量和缩小容纳部件所需的空间。

在该公司的液体推进工程部门中,有一个部门专门负责燃烧装置,这是用于处理高温气体的所有发动机组件的统称,如:气体发生器、发动机组和主推力燃烧室。ArianeGroup采用成本高昂的试错过程验证了第一批使用增材制造的部件,这个过程需要打印并测试原型,才能确定部件性能。为了仿真增材制造过程,燃烧装置部门的热力学团队最近采用ANSYS Mechanical研发了自动化工作流程。在研发新组件的过程中,工程师利用仿真对温度、应力和应变演化情况进行预测,以确定打印过程中的风险。ANSYS optiSLang使得团队能够自动执行该过程并校正模型,最终以现有硬件试错方法所需的一小部分成本优化了生产工艺参数。

rocket design workflow

工作流程采用ANSYS Mechanical和ANSYS optiSLang校正仿真模型。

 

传统验证过程

粉末床金属增材制造过程是在打印床上铺一层薄薄的金属粉末。激光扫过打印床时,有选择性地熔化很小区域的粉末,以形成部件的其中一层。在每个部分的冷却过程中会收缩,但是下面的固体层会抵抗这种收缩,从而产生残余应力。这些残余应力会导致成品部件的变形(塑性应变),而且最糟糕的情况是会产生无法检测到的裂纹,因为它们会被部件的其他部分遮挡。燃烧装置是太空任务取得成功的关键所在,因此采用新的生产工艺需要证明这种新工艺不会导致裂纹和其他缺陷。

在批准Ariane 6使用增材制造部件之前,ArianeGroup工程师必须了解相关工艺,才能确定主要工艺参数对部件质量有怎样的影响,并且还需要研发一种能满足最终质量要求(包括工艺参数可变性)的生产工艺。

仿真增材制造过程

为了研发一套可提升速度和降低验证费用的工作 流程,ArianeGroup和Dynardo工程师首先创建了较简单部件的模型。他们采用ANSYS Mechanical有限元分析软件仿真了增材制造过程,并研发了一个ANSYS参数化设计语言(APDL)脚本,以将整个结果分成多个单独的层来模拟金属增材制造过程。然后,通过EALIVE命令激活打印层的单元,其可以设置制造部件所用材料的融化温度。此脚本可以一次性激活整个层,逐步激活一层中的矩形单元,也可按顺序激活一层中的角形Swath。然后再让这些单元自然冷却,同时追踪各个单元中的残余应力。最后,按照与前一层相同的方法激活模型中的另一层单元。脚本可仿真构建部件的完整过程,并追踪各个单元的残余应力和变形。

Injector FEM

喷射器的有限元模型

Plastic strain in injector

喷射器中的塑性应变

 

轻松实现增材制造仿真

Ariane 6 rocket

ANSYS最近发布了ANSYS Additive Suite,不仅可以减少用户的APDL脚本研发需求,支持模型的参数化,而且还能优化求解器设置。如欲了解相关功能的更多信息,敬请参阅《确保增材制造大获成功》一文。

校正仿真模型

为了证明仿真模型的质量,工程师制作了测试结构,同时参考测量所得的变形和残余应力对模型进行了校正。在校正过程中,工程师通过试验设计(DoE)扫描了材料参数、工艺参数和离散化参数的变化空间。optiSLang由此创建了最佳预测元模型(MOP)。此元模型显示了工艺变化如何影响相关结果。然后,MOP可用于校正仿真模型参数,以匹配部件的物理测量结果。在校正过程中采用的关键参数包括x、y及z轴单元尺寸、激光路径(激活完整一层、一次激活不同尺寸的单个矩形单元或者激活一层中的一个角形Swath)、到熔化下一个部分层的时间以及到铺好下一层粉末的时间)。

制造材料的测量结果表明存在各向异性变形和强度行为,因此工程师采用Dynardo的multiPlas(ANSYS Mechanical中的一种定制各向异性多面弹塑性材料模型)匹配了这种各向异性行为,同时将它整合到增材制造模型中。在对比了各向同性与各向异性弹塑性材料模型之后,团队发现在打印方向上具有更低的屈服强度和极限强度(面内方向强度的80%~90%)对塑性应变演化会产生显著的影响。通过采用这类各向异性材料模型,工程师校正了有限元模型,以较高准确度预测了物理构件。

在校正了测试结构的工艺参数之后,仿真流程已准备就绪,可用于预测待认证部件的变形、应力和裂纹。ArianeGroup和Dynardo工程师对更复杂部件(即:用于研发原型的喷射器)的构建过程进行了仿真。有限元模型具有1,065,000个节点和620,000个二次体积单元。在配备4个中央处理器的个人电脑上完成热分析需要7个小时,而完成机械分析则需要32个小时。基于各向异性材料模型的预测非常符合打印喷射器的测量结果。

plastic strain simulation

各向同性与各向异性弹塑性材料模型对比。各向异性会对塑性应变预测具有显著影响。

优化部件几何结构与制造过程

接下来,工程师需要扩展工作流程,以研究部件几何结构变化和关键增材制造工艺参数变化对成品部件的残余应力、塑性应变和变形的影响。他们创建了一个完全自动化的工作流程,以确定部件质量对各个设计与工艺参数的敏感性。可将这些参数整合到用于创建预测元模型的试验设计中。此工作流程能够同时优化部件几何结构和增材制造过程。

在竞争极其激烈的航空航天行业中,失败会造成非常高昂的代价,因此在采纳新技术之前进行彻底的验证过程至关重要。在过去,这意味着需要漫长的试错过程来验证新的制造工艺。仿真可以与更小体积的物理测试结合在一起,在不降低太空任务安全性的情况下验证与采用新技术。例如,这个新工作流程可显著减少验证新部件所需的时间,因此有可能只需两次构建即可优化部件几何结构和增材制造过程:一次构建用于验证仿真模型,另一次构建则用于验证优化后的部件设计与过程。

ArianeGroup工程师计划在验证新的Ariane 6运载火箭时采用此过程,以降低所需的时间与成本。

deformation simulation vs. measurement

校正后的仿真模型预测的变形非常匹配物理测量结果。
Von Mises stresses
Displacement

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