用仿真验证增材制造火箭零件

Dieter Hummel，热力工程师，ArianeGroup GmbH, Ottobrunn，德国;Roger Schlegel，咨询Dynardo GmbH，魏玛，德国

随着航空航天工业开始实施增材制造，它必须验证组件在运载火箭的一次故障可能导致任务终止的环境中能够存活下来。当引入一种新的生产技术时，由于许多零件必须生产和验证，直到达到目标质量，传统的试错验证过程非常耗时和昂贵。ArianeGroup使用Ansy万博s和Dynardo仿真软件创建了一个基于仿真的工作流程，可以预测零件质量，并有可能大大减少传统方法所需的工艺时间。

避免任务失败是对运载火箭的首要要求。每次发射失败都会损失约1.5亿美元的发射成本，并损失一颗可能耗资数亿美元、需要数年时间才能重建的卫星。在2003年4月至2017年12月期间，阿丽亚娜集团的阿丽亚娜5号重型运载火箭成功地将82个连续有效载荷送入地球静止转移轨道(GTO)或低地球轨道(LEO)，没有发生一次故障。阿丽亚娜集团目前正在开发下一代阿丽亚娜6号运载火箭，其性能与阿丽亚娜5号相似，但制造成本和发射价格更低。阿丽亚娜6号正在使用金属增材制造，以降低制造成本和交货时间，并减少零件重量和容纳它所需的空间。

在该公司的液体推进工程部门，有一个部门专注于燃烧装置，这是所有处理高温气体的发动机部件的总称，如气体发生器、动力装置和主推力燃烧室。ArianeGroup使用了昂贵的试错过程，包括构建原型并测试它们以确定其性能，从而使第一批零件符合增材制造的要求。燃烧装置部门的热力学团队最近开发了一个自动化的工作流程万博Ansys机械模拟增材制造过程。在新组件的开发过程中，工程师通过利用模拟来预测温度、应力和应变演变，从而识别打印过程中的风险。万博Ansys optiSLang允许团队自动化流程并校准模型，以优化制造过程参数，而成本仅为当前硬件试错方法的一小部分。

工作流使用ANSYS Mec万博hanical和ANSYS opti俚语校准仿真模型。

先前的验证过程

粉末床金属增材制造工艺的工作原理是在构建板上放置一层薄薄的金属粉末。激光扫描构建板，有选择地熔化微小的粉末部分，形成零件的一层。当每个部分冷却时，它会收缩，但固体底层抵抗这些收缩，产生残余应力。这些残余应力会在成品零件中产生变形(塑性应变)，并且在最坏的情况下，由于被零件的其他部分隐藏，通常无法通过检查检测到裂纹。燃烧装置对任务的成功至关重要，因此转换到新的制造工艺需要证明新工艺没有裂缝和其他缺陷。

在批准将增材制造部件纳入Ariane 6之前，Ariane group的工程师必须了解工艺，确定关键工艺参数对部件质量的影响，并开发一种制造工艺，使其能够可靠地满足最终质量要求，包括每个工艺参数的可变性。

模拟增材制造过程

为了开发一个工作流程来提高验证速度并降低验证成本，ArianeGroup和Dynardo的工程师首先创建了一个相对简单的部件的模型。他们模拟了增材制造过程万博Ansys机械有限元分析并开发了Ansys参数化设计语言(APDL)脚本，通万博过将整个结构切割成单个层来模拟金属增材制造过程。然后用EALIVE命令激活打印层的元件，该命令将它们的温度设置在用于生产部件的材料的熔化温度上。这个脚本的不同变体要么立即激活整个图层，要么以逐步的方式激活图层上的矩形元素，要么依次激活图层上的角条。然后让元件自然冷却，并跟踪每个元件中的残余应力。然后在模型中以与前一层相同的方式激活另一层元素。脚本模拟了整个过程的建设部分，并跟踪残余应力和每个元素的变形。

喷油器的有限元模型

喷油器上的应力

结构仿真

增材制造模拟变得更加容易

最近，Ansys发布万博了万博Ansys Additive Suite，它减少了用户对APDL脚本开发的需求，支持模型的参数化并优化求解器设置。

校正仿真模型

为了验证仿真模型的质量，制作了试验结构，并根据实测变形和残余应力对模型进行了校正。在标定过程中，通过实验设计(DoE)扫描材料参数、工艺参数和离散化参数的变化空间。在此基础上，opti俚语生成了最优预后元模型(MOP)。这个元模型显示了过程可变性如何影响结果。然后使用MOP来校准仿真模型参数，以匹配零件上的物理测量结果。校准中使用的重要参数是x, y和z轴上的元素尺寸，激光路径(激活一个完整的层，一次激活一个不同尺寸的矩形元素，或跨层的角样条)，直到下一个部分层熔化的时间和直到放置下一个粉末层的时间。

对制造材料的测量显示出各向异性变形和强度行为，因此工程师使用Dynardo的multiPlas (Ansys Mechanical中定制的各向异性多面弹塑性材料模型)来匹配这种各向异性行为，并将其纳入增材制造模型。万博比较各向同性和各向异性弹塑性材料模型，研究小组确定，法向的较低屈服和极限强度(在平面方向强度的80%到90%之间)对塑性应变的演变有非常重要的影响。利用这种各向异性材料模型，对有限元模型进行了校准，以预测物理构建的精度达到很高的水平。

一旦测试结构上的工艺参数被校准，模拟工作流程就准备好预测要合格的零件的变形、应力和裂纹。ArianeGroup和Dynardo的工程师模拟了制造一个更复杂部件的过程，一个用于开发原型的喷射器。该有限元模型有106.5万个节点和62万个二次体积单元。在一台带有4个中央处理器的个人计算机上，热分析需要7小时，力学分析需要32小时。利用各向异性材料模型进行的预测与打印喷射器的测量结果非常吻合。

各向同性和各向异性弹塑性材料模型的比较。各向异性对塑性应变预测有重要影响。

optiSLang

优化零件几何形状和制造工艺

接下来，工程师扩展了工作流程，以研究零件几何形状变化和关键增材制造工艺参数变化对成品零件残余应力、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，可以识别部件质量对每个设计和工艺参数的敏感性，并将其纳入用于构建MOP的DoE中。该工作流可以同时优化零件几何形状和增材制造工艺。

在竞争激烈的航空航天业中，失败的成本异常高，因此在采用新技术之前进行彻底的验证过程至关重要。在过去，这意味着一个漫长的试错过程来验证新的制造工艺。模拟可以与小得多的物理测试相结合，在不牺牲任务安全的情况下提供快速鉴定和新技术的插入。例如，这种新的工作流程大大减少了验证新零件所需的时间，有可能只需要两次构建就可以优化零件几何形状和增材制造过程，一次验证仿真模型，第二次验证优化的零件设计和过程。

阿丽亚娜集团的工程师们正计划使用这一过程来减少验证新型阿丽亚娜6运载火箭部件所需的时间和成本。

校正后的模拟模型预测的变形与物理测量结果吻合较好。