基于增材制造的30CrMnSiA高速風洞試驗模型設計及流固耦合分析研究

洪興福, 葉 成, 王林志

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000; 2. 中國科學院 重慶綠色智能技術研究院, 重慶 400714)

基于增材制造的30CrMnSiA高速風洞試驗模型設計及流固耦合分析研究

洪興福1,*, 葉 成1, 王林志2

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000; 2. 中國科學院 重慶綠色智能技術研究院, 重慶 400714)

增材制造技術可針對任意復雜形狀的零件進行加工，制造周期和成本較低，具有傳統(tǒng)機械切削加工所不具備的獨特優(yōu)勢，在風洞試驗模型制造中具有廣泛的應用前景。針對高速風洞模型加工中常用的30CrMnSiA材料，開展了金屬粉末制備、檢測及材料試件的制造研究，在此基礎上，利用測試件數(shù)據(jù)作為材料性能輸入參數(shù)，結合增材制造工藝，設計了機翼為中空結構的AgardB模型，利用Ansys有限元分析軟件，進行了該模型流固耦合仿真分析，并開展了優(yōu)化設計，結果表明，中空機翼的模型結構能夠滿足高速風洞試驗要求。

增材制造；高速風洞；模型；流固耦合；Ansys仿真；金屬粉末

0 引 言

高速風洞試驗模型為金屬模型，制造精度要求高，風洞試驗時經常需要對模型的某個部件進行快速補加工或修復，對中空、異型模型加工有急迫的需求，而傳統(tǒng)機械加工已經無法滿足這些特殊要求。

增材制造(Additive Manufacturing)技術，又叫3D打印(3D Printing)，是一種全新的制造技術，采用離散/堆積成型原理，通過三維至二維的轉化，可針對任意復雜形狀的零件進行加工，制造周期和成本較低，具有傳統(tǒng)機械切削加工所不具備的獨特優(yōu)勢[1]，在高速風洞試驗模型加工中具有廣泛的應用前景。

現(xiàn)在應用最為廣泛的增材制造技術包括激光近凈成形(LENS)、電子束熔融(EBM)、激光選區(qū)燒結(SLS)、激光選區(qū)熔融(SLM)等成型技術，各成型技術的特點如表1所示[2-8]。

表1 常用高能束增材制造技術特點對比Table 1 Comparison of commonly used high energy beam additive manufacturing technologies

當前，在非金屬風洞試驗模型上的研究較多，但非金屬增材制造模型不適用于高速風洞高馬赫數(shù)、高沖擊載荷狀態(tài)[9-13]，而金屬增材制造技術在高速風洞試驗模型制造中研究成果較少，尚處于起步階段, 全面系統(tǒng)的研究成果更少，中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所在2015年開展了一次金屬模型增材制造，但模型尺寸誤差和粗糙度不能滿足風洞試驗的要求。

當前，增材制造技術仍然需要在制造件的強度、剛度、疲勞性能、微觀組織結構等方面開展深入的研究[14]，為此，針對高速風洞模型制造要求的精度高、結構件復雜、強度剛度要求高等特點，本文選擇激光選區(qū)熔融(SLM)技術作為研究對象(其成型原理見圖1)，采用模型加工中常用的30CrMnSiA作為制造材料，通過對增材制造技術工藝的研究，利用增材制造測試件數(shù)據(jù)作為材料性能輸入參數(shù)，結合增材制造工藝，設計了傳統(tǒng)機械加工無法制造的中空機翼結構AgardB模型，利用Ansys有限元分析軟件，進行了該模型流固耦合仿真分析，并開展了優(yōu)化設計，得到了能夠滿足高速風洞試驗要求的增材制造數(shù)模，為下一步開展風洞試驗驗證奠定了基礎。

1 30CrMnSiA粉末制備及性能測試

1.1 粉末制備

姚妮娜、彭雄厚等開展了不同粉末顆粒增材制造研究，得出了滿足增材制造技術的金屬粉末必須具備粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求[15]。制造金屬粉末的工藝有很多種，一般對于合金采用霧化法工藝，該工藝是通過機械的方法使金屬溶液粉碎成尺寸小于150μm的顆粒。本文利用真空氬氣霧化法制造基礎粉末顆粒，采用射頻等離子體技術對基礎粉末進行進一步球化，其設備及原理如圖2和3所示。通過射頻等離子體球化技術形成的粉末材料前后對比如圖4所示。

1.2 粉末性能測試

在粉末材料制備完成后，主要開展粉末粒度成分、粒度分布范圍及流動性測試，其粒度成分測試結果如表2所示。從表中可以看出，球化粉末成分基本符合國標范圍，氧含量低于同類進口粉(同類進口粉氧含量一般大于500ppm)。

粒度分布如圖5所示，從圖中可以看出，粒度分布集中在10～90μm，且屬于正態(tài)分布，中位直徑約38μm，符合試件制造要求。

表2 30CrMnSiA球化粉末與鍛件材料成分對比Table 2 Composition comparison of spheroidal 30CrMnSiA powder and forging material

Fig.4ComparisonofsphericalpowdermicrostructureformationofRFplasmaspheroidizationtechnology

Fig.5Particlesizedistributionof30CrMnSiAspheroidizationpowder

隨后對粉末流動性進行了測試，如圖6所示，粉末材料流動性較好，能夠開展試件增材制造。

2 試件制造及性能測試

為確保風洞試驗模型增材制造質量，開展了制造工藝研究，主要包括粉末層厚、掃描線間距、掃描速率、掃描點距、掃描路徑設計、曝光時間、激光功率等，通過前期研究，對粉末層厚、掃描線間距、掃描速率、掃描點距、掃描路徑設計固定不變，調節(jié)激光曝光時間(50、70、90、110、130和150μs)和激光功率(150、160、170、180、190和200W)。進行了3版試制造，通過逐步縮小工藝范圍，確定了最終工藝條件，具體如圖7～10所示。

對增材制造件開展相對致密度分析，與樣件進行對比，增材制造試件相對致密度在95%以上，最高相對致密度可達到99.5%以上，顯微硬度(HV)達到500，大于鍛件的350，如圖11所示，相對致密度符合要求。

Fig.11Relativedensityofadditivemanufacturingtestspecimenmadebydifferentlaserpowersandexposuretimes

在對試件表面吹掃完和初步打磨后，表面粗糙度Ra為2.603μm(見圖12)，而風洞試驗金屬模型要求的表面粗糙度Ra為0.8μm，可以在模型制造完畢后精細打磨達到該表面粗糙度要求。通過檢測，測試件制造的尺寸精度達到0.15mm以上，能夠滿足風洞試驗模型制造要求。

在確定增材制造工藝后，開展了激光曝光時間為130μs，功率分別為180、190和200W共3組試件的制造(見圖13)，并對試件進行了拉伸性能和斷面形貌測試，測試結果如圖14、15和表3所示。

從拉伸性能測試結果可以看出，增材制造試件抗拉強度Rm一般能達到1500MPa，屈服強度Rp0.2一般能達到1100MPa以上，其強度性能好于鍛件(鍛件Rm=1080MPa，Rp0.2=835MPa[16])，但斷后伸長率約為6.5%，塑性變形小，屬脆性斷裂，鍛件的塑性變形(斷后伸長率大于10%)性能優(yōu)于增材制造試件。從斷面形貌可以看出，試件屬韌脆混合斷裂形態(tài)，韌窩直徑和深度較小，尺寸小于1μm。

表3 測試件拉伸性能測試結果Table 3 Tensile properties results of test specimen

通過對比不同功率條件下的試件拉伸性能及微觀組織變化，確定采用激光功率180W、曝光時間130μs工藝條件開展AgardB模型的增材制造。

3 增材制造模型設計及流固耦合分析

3.1 模型選取

本文選取AgardB模型開展增材制造技術研究，模型數(shù)模如圖16所示，模型底部直徑為Φ52mm，其中機身采用傳統(tǒng)機械加工，材料選用國標30CrMnSiA，2個機翼采用增材制造技術，材料選用增材制造30CrMnSiA粉末，2種制造條件下材料的性能如表4所示。

材料Rm/MPaRp0．2/MPaE/GPa密度ρ/(kg·m?3)30CrMnSiA10808351967928．6增材制造30CrMnSiA157512002077928．6

3.2 模型設計及流固耦合分析

根據(jù)增材制造工藝要求，機翼采用中空設計，如圖17所示，在機翼壁厚為0.8、1.5mm時，機翼重量從194.79g減至140.26和176.66g，機翼減重率分別為28%、9.3%，為選擇最優(yōu)增材制造模型，分別對實心機翼和壁厚為0.8和1.5mm空心機翼開展流固耦合分析。

3.3 流固耦合分析

3.3.1耦合控制方程[17]

(1)流體控制方程

對于一般的可壓縮牛頓流來說其守恒定律的控制方程如下:

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量方程：

式中：t表示時間；ff是體積力矢量；ρf是流體密度；v是流體速度矢量；τf是剪切力張量；htot表示總焓；λ表示導熱系數(shù)；SE表示能量源項。

(2) 固體控制方程

固體守恒方程可由牛頓第二定律給出：

能量方程：

fT=αT·

(3) 流固耦合方程

流固耦合需遵守最基本的守恒原則，因此在流固耦合交界面處，應滿足流體與固體應力τ、位移d、熱流量q和溫度T等變量的相等或守恒，即滿足以下4個方程：

式中：下標f表示流體，下標s表示固體。

在流固耦合求解過程中，一般有2種解算方法：直接耦合式解法(Directly coupled solution)和分離解法(Partitioned solution)，本文采用基于Ansys workbench的分離式解法。流固耦合分析過程如圖18所示。

3.3.2結果分析

按照FL-32風洞(1.8m(長)×0.6m(寬)×0.6m(高))開展試驗的模型建立流場域，分別進行實心機翼、壁厚分別為0.8和1.5mm空心機翼模型在Ma4.5、速壓44.08kPa、迎角10°狀態(tài)下流固耦合分析，將流體與結構接觸面定義為流固耦合面，為提高計算效率，以模型中心設置對稱面，僅計算半模型，其計算模型、流體和結構計算網格分別如圖19、20和21所示，共有流體網格105 396個，實心機翼、壁厚分別為0.8和1.5mm空心機翼模型結構網格分別有152 273、148 386和148 760個。

流體采用Fluent中Standardk-ε湍流模型進行計算，結構部分將天平安裝部位設為固支，機翼與模型、模型頭段與尾段接觸面均設置為綁定約束，模型所受載荷由流固耦合界面進行傳遞，如圖22所示。

通過計算，氣流對模型作用的最大壓強為15 468Pa，直接通過流固耦合面對結構進行加載，如圖23所示，流體和結構計算結果如圖24～33所示。根據(jù)《高速風洞模型設計準則》(GJB569A-2012)[19]，從計算結果圖中可以看出，模型最大應力出現(xiàn)在機翼部分，而機翼材料為增材制造，因此模型最大極限應力不超過33.33MPa，翼尖最大變形不超過0.1361mm，模型流固耦合計算結果如表5所示。

Fig.28Thetotaldeformationof1.5mmwallthicknesshollowwingmodel

Fig.29Thevon-Misesstressof1.5mmwallthicknesshollowwingmodel

Fig.30Thevon-Misesstrainof1.5mmwallthicknesshollowwingmodel

Fig.31Thetotaldeformationof0.8mmwallthicknesshollowwingmodel

Fig.32Thevon-Misesstressof0.8mmwallthicknesshollowwingmodel

Fig.33Thevon-Misesstrainof0.8mmwallthicknesshollowwingmodel

從以上計算結果可以看出，不論實心機翼模型還是空心機翼模型均能滿足試驗要求，因此，為使模型達到減重效果，發(fā)揮增材制造優(yōu)勢，將選用壁厚為0.8mm空心翼模型開展模型增材制造。

表5 流固耦合計算結果Table 5 The result of fluid-structure interaction

4 結 論

(1) 利用射頻等離子體技術，進一步球化基礎金屬粉末，制造符合風洞試驗模型增材制造要求的金屬粉末。通過增材制造工藝優(yōu)化設計，確定采用激光功率180W、曝光時間130μs工藝條件下開展增材制造，生產的試件在密度、硬度、強度、微觀組織等方面能夠滿足高速風洞試驗要求，但試件塑性性能較鍛件差。

(2) 基于增材制造工藝，設計了不同壁厚的空心機翼模型，通過流固耦合分析，結果表明，選用壁厚為0.8mm空心翼AgardB模型不僅能減輕模型重量(機翼減重率達28%)，而且其強度、剛度均符合風洞試驗要求，達到了設計目的。

(3) 根據(jù)測試和計算結果，下一步將通過調整制造工藝(如改變激光波長和功率、激光的掃描層厚和路徑等)和增材制造結構的退火處理等方式，提高結構的各項性能包括塑性性能等，并開展壁厚為0.8mm空心翼AgardB模型高速風洞試驗研究，與傳統(tǒng)機械加工實心翼模型試驗數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)增材制造技術在高速風洞金屬模型制造領域的應用。

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Applicationofadditivemanufacturingto30CrMnSiAhighspeedwindtunneltestmodeldesignandfluid-structureinteractionanalysis

Hong Xingfu1,*, Ye Cheng1, Wang Linzhi2

(1. China Aerodynamics Research and Development Center, Sichuan Mianyang 621000, China; 2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China)

Additive manufacturing technology can be processed in any complex shape parts. The short manufacturing cycle and low cost are its unique advantages compared to the traditional machining, and thus it has wide application prospects in the wind tunnel test model manufacture. In view of the material 30CrMnSiA commonly used in the high speed wind tunnel model processing, the metal powder preparation, detection and material specimen manufacture are studied. On this basis, with test piece data as a yardstick for material performance, an AgardB model with hollow airfoil is designed based on the additive manufacturing process. Moreover, fluid-structure interaction analysis is conducted for the model using Ansys and the optimal design is carried out. The results indicate that the model structure can meet the requirement of high-speed wind tunnel testing.

additive manufacturing;high-speed wind tunnel;model;fluid-structure interaction;Ansys simulation;metal powder

1672-9897(2017)06-0062-09

10.11729/syltlx20170074

2017-06-07;

2017-08-14

*通信作者 E-mail: hxfhsy@163.com

HongXF,YeC,WangLZ.Applicationofadditivemanufacturingto30CrMnSiAhighspeedwindtunneltestmodeldesignandfluid-structureinteractionanalysis.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 62-70. 洪興福, 葉成, 王林志. 基于增材制造的30CrMnSiA高速風洞試驗模型設計及流固耦合分析研究. 實驗流體力學, 2017, 31(6): 62-70.

V211.78

A

洪興福(1981-)，男，湖南衡陽人，工程師。研究方向：結構優(yōu)化設計及流固耦合研究、增材制造技術等。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號高速所205室(621000)。E-mail：hxfhsy@163.com

(編輯：張巧蕓)