定性加制火箭部件模拟

由德国OtbrunnArianeGroup和德国Weimar咨询DynardoGmbH主任Roger Schle

航空航天产业开始实施添加制造时,它必须验证组件在运载火箭单故障可强制终止任务的环境中生存引进新生产技术时,因为许多部件必须生产和验证,直到目标质量实现,传统试试验证过程耗时耗时耗时费钱ArianeGroup使用Ansys和Dynardo模拟软件创建模拟工作流预测部分质量并有可能大大减少传统方法所需过程时间

避免任务故障是运载火箭头号需求每一次故障都牺牲约1.5亿美元的发射成本 和卫星损失 可能耗资数亿美元并耗时数年重建从2003年4月到2017年12月,ArianeGroup重载飞行器顺利将82个连续有效载荷送入静止转移轨道或低地球轨道,无一次故障ArianeGroup目前正在开发下一代Ariane6运载火箭,性能与Ariane5相似,但制造成本和发射价格较低阿丽亚娜6号正在使用金属添加制造来降低制造成本和周转时间,并减少部分重量和容纳空间

公司液推进工程集群中,一个部门侧重于燃烧装置,即处理热气的所有引擎组件通用名称,如燃气生成器、电源单元和主推燃烧室ArianeGroup为前端添加剂制造认证,使用耗资累加过程,包括制作原型并测试以确定性能燃烧装置部内热机工队最近开发自动化工作流安卓机械模拟添加制造过程开发新组件期间,工程师利用模拟预测温度、压力和压力进化过程识别打印过程风险ssopiSLang允许团队自动化并校准模型优化制造过程参数,成本比当前硬件试试法低几分

工作流使用ANSYS机械式和ANSYSOptiSLang校准模拟模型

前估值过程

粉床金属添加处理法,将薄层金属粉贴到构建板上激光扫描构建板有选择地熔化小片火药组成分层逐段冷却它契约, 固底层抵制这些收缩, 产生剩余应激剩余应力可分端变形(塑料菌株),最坏的破解往往无法通过检验检测,因为它们被部分其他部分隐藏combustion设备对任务成功至关紧要, 所以切换新制造过程需要证明新过程没有破解和其他缺陷

ArianeGroup工程师必须理解过程,确定关键过程参数对部分质量的影响,并开发一个可靠地允许他们满足最终质量要求的制造过程,包括每个过程参数的变异性

模拟制造过程

开发工作流提高速度并降低验证成本,ArianeGroup和Dynardo工程师先创建了相对简单部分模型模拟加法制造过程Ansys机械有限元素分析软件开发Ansys参数设计语言脚本模拟金属添加制造过程,将整个结构切入单个层层打印层元素再用EALIVE命令激活,EALIVE命令将温度定在生成段材的熔化温度上。不同的脚本变异或同时激活整层,逐步激活图层矩形元素,或相继启动图层角元素自然冷却并跟踪每个元素的剩余应激另一层元素再以前层相同方式激活模型脚本模拟构件全过程并跟踪剩余压力和变形

有限元素模型注射器

高压喷射器

结构模拟

辅助制造拼接

最近安卓发布Assys补充套房减少用户对APDL脚本开发的需求,支持模型参数化并优化求解器设置

解码模型

为了证明模拟模型的质量,制作测试结构并标定模型以测量变形和余压校准过程、物素变空间、过程参数和离散参数通过实验设计扫描由popislang生成最优预测元模模型显示过程变异如何影响结果并用MOP校准模拟模型参数以匹配物理测量结果标定中使用的重要参数有x、y和z轴上元素大小、激光路径(激活完整层、不同大小时矩形元素或跨层角观察)、下半层融化前时间和下一粉层定位前时间

测量人工材料显示异步变形和强度行为, 所以工程师使用Dynardo多片-Ansys机械系统定制反向多表异步材料模型-以匹配反向行为并融入添加制造模型比较异向和异向弹性材料模型时,团队判定正常方向下流率和终极强度(机内强度的80%至90%)对塑料菌株进化有非常重要的影响。使用该异步素模型定值有限元素模型以预测物理构造高度精度

测试结构流程参数校准后,模拟工作流准备预测变形、压力和破解ArianeGroup和Dynardo工程师模拟过程构建一个复杂部分,开发原型打入器有限元模型有1 065 000节点和620 000二次体积元素需要7小时热分析,32小时机械分析,个人计算机加4个中央处理机使用异步物模型预测极匹配打印喷射器测量

异向和异向弹性材料模型比较anisotropy对塑料菌株预测有重大影响

optiSLang

选择部分合成和制造过程

工程师扩展工作流调查部分几何变异和关键添加过程参数变异对剩余应力、塑料菌株和成品变形的影响创建全自动化工作流识别部分质量对融入 DoE构建MOP的每一种设计和进程参数的敏感度工作流同时优化部分几何学和添加制造过程

极具竞争力航空航天业失灵代价异常高,因此在采用新技术前必须彻底验证过程在过去,这意味着长试错过程验证新制造过程模拟可与小得多物理测试并用以提供快速资质并插入新技术而不牺牲任务安全举例说,这一新工作流大大减少验证新部分所需时间,有可能优化部分几何和添加制造过程,只有2个构建,1个验证模拟模型,2个验证优化部分设计过程

ArianeGroup工程师正计划使用这个过程来减少验证新Ariane6运载火箭部件所需的时间和费用

变形模拟模型预测与物理测量密切匹配