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基于增材制造的30CrMnSiA高速风洞试验模型设计及流固耦合分析研究

洪兴福,  叶成,  王林志

洪兴福, 叶成, 王林志. 基于增材制造的30CrMnSiA高速风洞试验模型设计及流固耦合分析研究[J]. 机械工程学报, 2017, 31(6): 62-70. doi: 10.11729/syltlx20170074
引用本文: 洪兴福, 叶成, 王林志. 基于增材制造的30CrMnSiA高速风洞试验模型设计及流固耦合分析研究[J]. 机械工程学报, 2017, 31(6): 62-70. doi: 10.11729/syltlx20170074
Hong Xingfu, Ye Cheng, Wang Linzhi. Application of additive manufacturing to 30CrMnSiA high speed wind tunnel test model design and fluid-structure interaction analysis[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2017, 31(6): 62-70. doi: 10.11729/syltlx20170074
Citation: Hong Xingfu, Ye Cheng, Wang Linzhi. Application of additive manufacturing to 30CrMnSiA high speed wind tunnel test model design and fluid-structure interaction analysis[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2017, 31(6): 62-70. doi: 10.11729/syltlx20170074

基于增材制造的30CrMnSiA高速风洞试验模型设计及流固耦合分析研究

doi: 10.11729/syltlx20170074
详细信息
    作者简介:

    洪兴福(1981-), 男, 湖南衡阳人, 工程师。研究方向:结构优化设计及流固耦合研究、增材制造技术等。通信地址:四川省绵阳市二环路南段6号高速所205室(621000)。E-mail:hxfhsy@163.com

    通讯作者:

    洪兴福, E-mail: hxfhsy@163.com

  • 中图分类号: V211.78

Application of additive manufacturing to 30CrMnSiA high speed wind tunnel test model design and fluid-structure interaction analysis

  • 摘要: 增材制造技术可针对任意复杂形状的零件进行加工,制造周期和成本较低,具有传统机械切削加工所不具备的独特优势,在风洞试验模型制造中具有广泛的应用前景。针对高速风洞模型加工中常用的30CrMnSiA材料,开展了金属粉末制备、检测及材料试件的制造研究,在此基础上,利用测试件数据作为材料性能输入参数,结合增材制造工艺,设计了机翼为中空结构的AgardB模型,利用Ansys有限元分析软件,进行了该模型流固耦合仿真分析,并开展了优化设计,结果表明,中空机翼的模型结构能够满足高速风洞试验要求。

     

  • 图  1  激光选区熔融(SLM)成型原理

    Figure  1.  Molding principle of SLM

    图  2  射频等离子体球化设备

    Figure  2.  RF plasma spheroidization equipment

    图  3  射频等离子体球化粉末原理

    Figure  3.  Principle of RF plasma spheroidization powder

    图  4  射频等离子体球化技术形成的球形粉微观结构对比

    Figure  4.  Comparison of spherical powder microstructure formation of RF plasma spheroidization technology

    图  5  30CrMnSiA球化粉末粒径分布

    Figure  5.  Particle size distribution of 30CrMnSiA spheroidization powder

    图  6  30CrMnSiA球化粉末流动性

    Figure  6.  Flowability of 30CrMnSiA spheroidal powder

    图  7  增材制造过程

    Figure  7.  Additive manufacturing process

    图  8  第1版激光能量选择

    Figure  8.  Laser energy selection of the front page

    图  9  第2版缩小工艺参数范围

    Figure  9.  The narrowed parameter range of the second edition

    图  10  第3版进一步缩小工艺参数范围

    Figure  10.  The further narrowed parameter range of the third edition

    图  11  不同激光功率和曝光时间条件下增材制造件的相对致密度分析

    Figure  11.  Relative density of additive manufacturing test specimen made by different laser powers and exposure times

    图  12  吹扫后试件表面粗糙度

    Figure  12.  Surface roughness of specimen after blowing

    图  13  增材制造测试件

    Figure  13.  Additive manufacturing test specimen

    图  14  拉伸试验应力-应变曲线

    Figure  14.  Tensile stress strain curve

    图  15  断口形貌图

    Figure  15.  Morphology of fracture surface

    图  16  AgardB模型二维和三维图

    Figure  16.  The AgardB model of two and three dimension

    图  17  中空机翼

    Figure  17.  Cavity wing

    图  18  流固耦合工作流程图[18]

    Figure  18.  Work process of fluid structure interaction[18]

    图  19  计算模型

    Figure  19.  Computational model

    图  20  流体计算网格

    Figure  20.  Fluid computational grid

    图  21  结构计算网格

    Figure  21.  Structural computational grid

    图  22  结构模型载荷及约束

    Figure  22.  Loads and constraints of structural model

    图  23  结构模型流固耦合加载载荷

    Figure  23.  Fluid structure coupling loads of structural model

    图  24  流场Ma数分布图

    Figure  24.  Ma distribution of flowing field

    图  25  实心机翼模型总变形图

    Figure  25.  The total deformation of solid wing model

    图  26  实心机翼模型von-Mises应力图

    Figure  26.  The von-Mises stress of solid wing model

    图  27  实心机翼模型von-Mises应变图

    Figure  27.  The von-Mises strain of solid wing model

    图  28  壁厚1.5mm空心翼模型总变形图

    Figure  28.  The total deformation of 1.5mm wall thickness hollow wing model

    图  29  壁厚1.5mm空心翼模型von-Mises应力云图

    Figure  29.  The von-Mises stress of 1.5mm wall thickness hollow wing model

    图  30  壁厚1.5mm空心翼模型von-Mises应变云图

    Figure  30.  The von-Mises strain of 1.5mm wall thickness hollow wing model

    图  31  壁厚0.8mm空心翼模型总变形图

    Figure  31.  The total deformation of 0.8mm wall thickness hollow wing model

    图  32  壁厚0.8mm空心翼模型von-Mises应力云图

    Figure  32.  The von-Mises stress of 0.8mm wall thickness hollow wing model

    图  33  壁厚0.8mm空心翼模型von-Mises应变云图

    Figure  33.  The von-Mises strain of 0.8mm wall thickness hollow wing model

    表  1  常用高能束增材制造技术特点对比

    Table  1.   Comparison of commonly used high energy beam additive manufacturing technologies

    成型技术 适应成型材料 适应成型尺寸 成型精度 应用范围
    LENS 金属粉末 大 低,需要3mm左右加工余量 大型难加工金属构件、金属零件修复
    EBM 金属粉末 中、小 中 生物医学
    SLS 高分子粉末 中、小 高 原型使用
    SLM 金属粉末 中、小 高 高精度复杂结构件
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    表  2  30CrMnSiA球化粉末与锻件材料成分对比

    Table  2.   Composition comparison of spheroidal 30CrMnSiA powder and forging material

    化学组分(wt.pct) C Si Mn Cr Ni Co Mo Cu Fe O/ppm
    GB 0.28~0.34 0.9~1.2 0.8~1.1 0.2~0.5 Balance
    球化30CrMnSiA粉 0.25 1.05 0.9 0.54 1.99 0.058 0.48 0.05 Balance 500
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    表  3  测试件拉伸性能测试结果

    Table  3.   Tensile properties results of test specimen

    激光功率及试样编号 温度 Rm
    /MPa
    Rp0.2
    /MPa
    A
    /%
    E
    /GPa
    180W1# 23 1695 1223 8.1 216
    180W2# 23 1486 1170 5.6 204
    180W3# 23 1545 1208 6.7 203
    180W平均 1575 1200 6.8 207
    190W1# 23 1600 1205 5.9 205
    190W2# 23 1495 1155 5.8 204
    190W3# 23 1527 1190 6.4 199
    190W4# 23 1532 1175 6.5 208
    190W平均 1539 1181 6.2 204
    200W1# 23 1614 1224 8.1 235
    200W2# 23 1535 1220 7.1 211
    200W3# 23 1510 1167 7.6 202
    200W平均 1553 1204 7.6 216
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    表  4  30CrMnSiA材料属性

    Table  4.   30CrMnSiA material performance parameters

    材料 Rm
    /MPa
    Rp0.2
    /MPa
    E
    /GPa
    密度ρ
    /(kg·m-3)
    30CrMnSiA 1080 835 196 7928.6
    增材制造30CrMnSiA 1575 1200 207 7928.6
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    表  5  流固耦合计算结果

    Table  5.   The result of fluid-structure interaction

    实心翼模型 壁厚1.5mm空心翼模型 壁厚0.8mm空心翼模型 最大允许值
    von-Mises应力/MPa 5.515 7.377 7.961 33.33
    von-Mises应变 2.558×10-5 3.429×10-5 3.829×10-5 --
    最大变形/mm 0.0752 0.0903 0.0985 0.1361
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  • 收稿日期:  2017-06-07
  • 修回日期:  2017-08-14

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