留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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  激光选区熔融(SLM)成型原理

    Figure  1.  Molding principle of SLM

    图  射频等离子体球化设备

    Figure  2.  RF plasma spheroidization equipment

    图  射频等离子体球化粉末原理

    Figure  3.  Principle of RF plasma spheroidization powder

    图  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  30CrMnSiA球化粉末粒径分布

    Figure  5.  Particle size distribution of 30CrMnSiA spheroidization powder

    图  30CrMnSiA球化粉末流动性

    Figure  6.  Flowability of 30CrMnSiA spheroidal powder

    图  增材制造过程

    Figure  7.  Additive manufacturing process

    图  第1版激光能量选择

    Figure  8.  Laser energy selection of the front page

    图  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 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 生物医学
    SLS 高分子粉末 中、小 原型使用
    SLM 金属粉末 中、小 高精度复杂结构件
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 朱胜, 柳建, 殷凤良, 等.面向装备维修的增材再制造技术[J].装甲兵工程学院学报, 2014, 28(1):81-85. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/zjbgcxyxb201401017

    Zhu S, Liu J, Yin F L, et al. Additive remanufacturing technology used in equipment repair[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2014, 28(1):81-85. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/zjbgcxyxb201401017
    [2] Wang L, Liu J. Liquid phase 3D printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink[J]. Science China Technological Sciences, 2014, 57(9):1721-1728. doi: 10.1007/s11431-014-5583-4
    [3] Symes M D, Kitson P J, Yan J, et al. Integrated 3D-printed reaction ware for chemical synthesis and analysis[J]. Nat Chem, 2012, 4:349-354. doi: 10.1038/nchem.1313
    [4] 余冬梅, 方奥, 张建斌. 3D打印:技术和应用[J].金属世界, 2013, (6):6-11. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=jssj201306004&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ

    Yu D M, Fang O, Zhang J B. 3D printing:technology and application[J]. Metal World, 2013, (6):6-11. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=jssj201306004&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ
    [5] 江洪, 康学萍. 3D打印技术的发展分析[J].新材料产业, 2013, (10):30-35. doi: 10.3969/j.issn.1008-892X.2013.10.008
    [6] Gu Q, Hao J, Lu Y J, et al. Three-dimensional bio-printing[J]. Science China Life Sciences, 2015, 58(5):411-419. doi: 10.1007/s11427-015-4850-3
    [7] 洪兴福. 3D打印技术在高速风洞模型制造中的应用研究方案[R]. 四川绵阳: 中国空气动力研究与发展中心, 2015.
    [8] 曾光, 韩志宇, 梁书锦, 等.金属零件3D打印技术的应用研究[J].中国材料进展, 2014, 33(6):376-382. https://www.cnki.com.cn/qikan-ZDYY201707012.html

    Zeng G, Hang Z Y, Liang S J, et al. The applications and progress of manufacturing of metal parts by 3D printing technology[J]. Materials China, 2014, 33(6):376-382. https://www.cnki.com.cn/qikan-ZDYY201707012.html
    [9] 蒋小珊, 齐乐华. 3D打印成形微小型金属件的研究现状及其发展[J].中国印刷与包装研究, 2014, 6(5):15-25. http://www.wenkuxiazai.com/doc/44bd64a325c52cc58ad6be8e.html

    Jiang X S, Qi L H. Research status and development of 3D printing forming for miniature metal part[J]. China Printing and Packaging Study, 2014, 6(5):15-25. http://www.wenkuxiazai.com/doc/44bd64a325c52cc58ad6be8e.html
    [10] 朱伟军, 李涤尘, 任科, 等.基于3D打印的舵面可调实用化飞机风洞模型的设计与试验[J].航空学报, 2014, 35(2):400-407. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/hkxb201402010

    Zhu W J, Li D C, Ren K, et al. Design and test of a practical aircraft model for wind tunnel testing with adjustable control surfaces based on 3D printing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(2):400-407. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/hkxb201402010
    [11] Springer A. Evaluating aerodynamic characteristics of wind tunnel models produced by rapid prototyping methods[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1998, 35(6):755-759. doi: 10.2514/2.3412
    [12] Aghanajafi C, Daneshmand S, Nadooshan A A. Influence of layer thickness on the design of rapid-prototyped models[J]. Journal of Aircraft, 2009, 46(3):981-987. doi: 10.2514/1.39702
    [13] Chuk R N, Thomos V J. A comparison of rapid prototyping techniques used for wind tunnel model fabrication[J]. Rapid Prototyping Journal, 1998, 4(4):185-196. doi: 10.1108/13552549810239030
    [14] 范立坤.增材制造用金属粉末材料的关键影响因素分析[J].理化检验(物理分册), 2015, 51(7):480-519. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lhjy-wl201507008.aspx

    Fan L K. Analysis on key factors of metal powders for additive manufacturing[J]. Physical Testing and Chemical Analysis(Part A:Physical Testing), 2015, 51(7):480-519. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lhjy-wl201507008.aspx
    [15] 姚妮娜, 彭雄厚. 3D打印金属粉末的制备方法[J].四川有色金属, 2013, (4):48-51. http://d.wanfangdata.com.cn/Patent/CN201410028642.2

    Yao N N, Peng X H. The preparation method of metal powder for 3D printing[J]. Sichuan Nonferrous Metals, 2013, (4):48-51. http://d.wanfangdata.com.cn/Patent/CN201410028642.2
    [16] 秦大同, 谢里阳.常用机械工程材料[M].北京:化学工业出版社, 2013.
    [17] 宋学官, 蔡林, 张华. Ansys流固耦合分析与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2012.
    [18] 陈红. 核阀流体动力学及流固耦合有限元分析[D]. 大连: 大连理工大学, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1013199747.htm
    [19] GJB569A-2012, 高速风洞模型设计准则[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2012.
  • 加载中
图(33) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  289
  • HTML全文浏览量:  144
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-07
  • 修回日期:  2017-08-14

目录

    /

    返回文章
    返回