航空航天零件的增材制造与质量控制【Simpleware应用】

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概述

增材制造(AM)是航天工业中非常有价值的工具,特别是与无损检测方法相结合,例如通过X射线计算机断层成像检测和分析缺陷;与有限元建模(FEM)相结合可以量化零部件中缺陷产生的影响。

本项目对用于 TARANIS 卫星的铝合金AM零件进行分析,确定材料内部孔隙的位置。利用 Simpleware 软件生成的有限元模型验证其结构完整性,采用随机振动模型与 CAD 建模和拓扑优化的结果进行对比。


亮点

  • 使用 Simpleware ScanIP 软件对铝合金零件的X射线 CT 数据进行分割和处理
  • 使用 Simpleware FE 模块生成用于可在 ANSYS Workbench 中进行仿真的模型
  • 结果验证了 AM 方法用于比较CAD模型和设计零件,用于空间任务的应用

图像处理

利用 X 射线 CT 扫描获取包含缺陷的铝合金零件图像数据。采用 Simpleware ScanIP 软件从图像空间中分割出构件的主体,创建结构的初始掩模;删除与主体无连接部分的掩模区域。使用 Paint 和 Paint with threshold 工具精准分割结构,减少金属伪影。然后对分割后的几何结构进行平滑处理,增加网格划分前表面的平滑度。

图:在 Simpleware ScanIP 中由 CT 数据分割出铝合金 AM 零件

网格划分&有限元分析

图:在Simpleware生成可导出至ANSYS Workbench的网格模型

运用 Simpleware FE 模块的算法对结构进行网格划分,在保持感兴趣特征细节的同时自动生成粗网格。在结构顶部设置网格精细区域,并在螺孔区域添加节点集。最后将生成的网格模型导出至 ANSYS Workbench 17.1 中进一步仿真。

图:ANSYS Workbench 中的 Von Mises 应力仿真

在 Simpleware 中通过节点集设置边界条件,然后在 ANSYS Workbench 17.1 中使用最终的网格模型。采用基于图像的模型进行仿真,并与之前的 CAD 仿真进行包含模型间 Von Mises 应力在内的比较。

本研究通过检查零件的 X 射线 CT 扫描验证 AM 工艺,并采用高质量的网格进行性能模拟。对比实验、CAD 和 FEM 结果可以有效地综合考虑设计模型与扫描结构的偏差。本工作流程对于在航天工业领域 AM 工艺增加新的质量控制和分析水平是非常有益的。该零件成功通过测试,现在可能已被应用于太空任务。


参考


 
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