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

(1. 中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000; 2. 中国科学院 重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714)

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1,*, 叶 成1, 王林志2

(1. 中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000; 2. 中国科学院 重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714)

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。

增材制造；高速风洞；模型；流固耦合；Ansys仿真；金属粉末

0 引 言

高速风洞试验模型为金属模型，制造精度要求高，风洞试验时经常需要对模型的某个部件进行快速补加工或修复，对中空、异型模型加工有急迫的需求，而传统机械加工已经无法满足这些特殊要求。

增材制造(Additive Manufacturing)技术，又叫3D打印(3D Printing)，是一种全新的制造技术，采用离散/堆积成型原理，通过三维至二维的转化，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[1]，在高速风洞试验模型加工中具有广泛的应用前景。

现在应用最为广泛的增材制造技术包括激光近净成形(LENS)、电子束熔融(EBM)、激光选区烧结(SLS)、激光选区熔融(SLM)等成型技术，各成型技术的特点如表1所示[2-8]。

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

当前，在非金属风洞试验模型上的研究较多，但非金属增材制造模型不适用于高速风洞高马赫数、高冲击载荷状态[9-13]，而金属增材制造技术在高速风洞试验模型制造中研究成果较少，尚处于起步阶段, 全面系统的研究成果更少，中国空气动力研究与发展中心高速所在2015年开展了一次金属模型增材制造，但模型尺寸误差和粗糙度不能满足风洞试验的要求。

当前，增材制造技术仍然需要在制造件的强度、刚度、疲劳性能、微观组织结构等方面开展深入的研究[14]，为此，针对高速风洞模型制造要求的精度高、结构件复杂、强度刚度要求高等特点，本文选择激光选区熔融(SLM)技术作为研究对象(其成型原理见图1)，采用模型加工中常用的30CrMnSiA作为制造材料，通过对增材制造技术工艺的研究，利用增材制造测试件数据作为材料性能输入参数，结合增材制造工艺，设计了传统机械加工无法制造的中空机翼结构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，得到了能够满足高速风洞试验要求的增材制造数模，为下一步开展风洞试验验证奠定了基础。

1 30CrMnSiA粉末制备及性能测试

1.1 粉末制备

姚妮娜、彭雄厚等开展了不同粉末颗粒增材制造研究，得出了满足增材制造技术的金属粉末必须具备粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求[15]。制造金属粉末的工艺有很多种，一般对于合金采用雾化法工艺，该工艺是通过机械的方法使金属溶液粉碎成尺寸小于150μm的颗粒。本文利用真空氩气雾化法制造基础粉末颗粒，采用射频等离子体技术对基础粉末进行进一步球化，其设备及原理如图2和3所示。通过射频等离子体球化技术形成的粉末材料前后对比如图4所示。

1.2 粉末性能测试

在粉末材料制备完成后，主要开展粉末粒度成分、粒度分布范围及流动性测试，其粒度成分测试结果如表2所示。从表中可以看出，球化粉末成分基本符合国标范围，氧含量低于同类进口粉(同类进口粉氧含量一般大于500ppm)。

粒度分布如图5所示，从图中可以看出，粒度分布集中在10～90μm，且属于正态分布，中位直径约38μm，符合试件制造要求。

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

Fig.4ComparisonofsphericalpowdermicrostructureformationofRFplasmaspheroidizationtechnology

Fig.5Particlesizedistributionof30CrMnSiAspheroidizationpowder

随后对粉末流动性进行了测试，如图6所示，粉末材料流动性较好，能够开展试件增材制造。

2 试件制造及性能测试

为确保风洞试验模型增材制造质量，开展了制造工艺研究，主要包括粉末层厚、扫描线间距、扫描速率、扫描点距、扫描路径设计、曝光时间、激光功率等，通过前期研究，对粉末层厚、扫描线间距、扫描速率、扫描点距、扫描路径设计固定不变，调节激光曝光时间(50、70、90、110、130和150μs)和激光功率(150、160、170、180、190和200W)。进行了3版试制造，通过逐步缩小工艺范围，确定了最终工艺条件，具体如图7～10所示。

对增材制造件开展相对致密度分析，与样件进行对比，增材制造试件相对致密度在95%以上，最高相对致密度可达到99.5%以上，显微硬度(HV)达到500，大于锻件的350，如图11所示，相对致密度符合要求。

Fig.11Relativedensityofadditivemanufacturingtestspecimenmadebydifferentlaserpowersandexposuretimes

在对试件表面吹扫完和初步打磨后，表面粗糙度Ra为2.603μm(见图12)，而风洞试验金属模型要求的表面粗糙度Ra为0.8μm，可以在模型制造完毕后精细打磨达到该表面粗糙度要求。通过检测，测试件制造的尺寸精度达到0.15mm以上，能够满足风洞试验模型制造要求。

在确定增材制造工艺后，开展了激光曝光时间为130μs，功率分别为180、190和200W共3组试件的制造(见图13)，并对试件进行了拉伸性能和断面形貌测试，测试结果如图14、15和表3所示。

从拉伸性能测试结果可以看出，增材制造试件抗拉强度Rm一般能达到1500MPa，屈服强度Rp0.2一般能达到1100MPa以上，其强度性能好于锻件(锻件Rm=1080MPa，Rp0.2=835MPa[16])，但断后伸长率约为6.5%，塑性变形小，属脆性断裂，锻件的塑性变形(断后伸长率大于10%)性能优于增材制造试件。从断面形貌可以看出，试件属韧脆混合断裂形态，韧窝直径和深度较小，尺寸小于1μm。

表3 测试件拉伸性能测试结果Table 3 Tensile properties results of test specimen

通过对比不同功率条件下的试件拉伸性能及微观组织变化，确定采用激光功率180W、曝光时间130μs工艺条件开展AgardB模型的增材制造。

3 增材制造模型设计及流固耦合分析

3.1 模型选取

本文选取AgardB模型开展增材制造技术研究，模型数模如图16所示，模型底部直径为Φ52mm，其中机身采用传统机械加工，材料选用国标30CrMnSiA，2个机翼采用增材制造技术，材料选用增材制造30CrMnSiA粉末，2种制造条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 模型设计及流固耦合分析

根据增材制造工艺要求，机翼采用中空设计，如图17所示，在机翼壁厚为0.8、1.5mm时，机翼重量从194.79g减至140.26和176.66g，机翼减重率分别为28%、9.3%，为选择最优增材制造模型，分别对实心机翼和壁厚为0.8和1.5mm空心机翼开展流固耦合分析。

3.3 流固耦合分析

3.3.1耦合控制方程[17]

(1)流体控制方程

对于一般的可压缩牛顿流来说其守恒定律的控制方程如下:

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量方程：

式中：t表示时间；ff是体积力矢量；ρf是流体密度；v是流体速度矢量；τf是剪切力张量；htot表示总焓；λ表示导热系数；SE表示能量源项。

(2) 固体控制方程

固体守恒方程可由牛顿第二定律给出：

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则，因此在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力τ、位移d、热流量q和温度T等变量的相等或守恒，即满足以下4个方程：

式中：下标f表示流体，下标s表示固体。

在流固耦合求解过程中，一般有2种解算方法：直接耦合式解法(Directly coupled solution)和分离解法(Partitioned solution)，本文采用基于Ansys workbench的分离式解法。流固耦合分析过程如图18所示。

3.3.2结果分析

按照FL-32风洞(1.8m(长)×0.6m(宽)×0.6m(高))开展试验的模型建立流场域，分别进行实心机翼、壁厚分别为0.8和1.5mm空心机翼模型在Ma4.5、速压44.08kPa、迎角10°状态下流固耦合分析，将流体与结构接触面定义为流固耦合面，为提高计算效率，以模型中心设置对称面，仅计算半模型，其计算模型、流体和结构计算网格分别如图19、20和21所示，共有流体网格105 396个，实心机翼、壁厚分别为0.8和1.5mm空心机翼模型结构网格分别有152 273、148 386和148 760个。

流体采用Fluent中Standardk-ε湍流模型进行计算，结构部分将天平安装部位设为固支，机翼与模型、模型头段与尾段接触面均设置为绑定约束，模型所受载荷由流固耦合界面进行传递，如图22所示。

通过计算，气流对模型作用的最大压强为15 468Pa，直接通过流固耦合面对结构进行加载，如图23所示，流体和结构计算结果如图24～33所示。根据《高速风洞模型设计准则》(GJB569A-2012)[19]，从计算结果图中可以看出，模型最大应力出现在机翼部分，而机翼材料为增材制造，因此模型最大极限应力不超过33.33MPa，翼尖最大变形不超过0.1361mm，模型流固耦合计算结果如表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

从以上计算结果可以看出，不论实心机翼模型还是空心机翼模型均能满足试验要求，因此，为使模型达到减重效果，发挥增材制造优势，将选用壁厚为0.8mm空心翼模型开展模型增材制造。

表5 流固耦合计算结果Table 5 The result of fluid-structure interaction

4 结 论

(1) 利用射频等离子体技术，进一步球化基础金属粉末，制造符合风洞试验模型增材制造要求的金属粉末。通过增材制造工艺优化设计，确定采用激光功率180W、曝光时间130μs工艺条件下开展增材制造，生产的试件在密度、硬度、强度、微观组织等方面能够满足高速风洞试验要求，但试件塑性性能较锻件差。

(2) 基于增材制造工艺，设计了不同壁厚的空心机翼模型，通过流固耦合分析，结果表明，选用壁厚为0.8mm空心翼AgardB模型不仅能减轻模型重量(机翼减重率达28%)，而且其强度、刚度均符合风洞试验要求，达到了设计目的。

(3) 根据测试和计算结果，下一步将通过调整制造工艺(如改变激光波长和功率、激光的扫描层厚和路径等)和增材制造结构的退火处理等方式，提高结构的各项性能包括塑性性能等，并开展壁厚为0.8mm空心翼AgardB模型高速风洞试验研究，与传统机械加工实心翼模型试验数据进行对比，实现增材制造技术在高速风洞金属模型制造领域的应用。

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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. 实验流体力学, 2017, 31(6): 62-70.

V211.78

A

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

(编辑：张巧芸)