“根據CT掃描數據來仿真成品部件性能這一新方法，正被用于對TARANIS航天器的支架進行驗證。”

在生產專用于航空航天和國防應用的關鍵組件時，首先必須對相關材料和工藝進行正式認證，才能證明這些組件是否可以發揮預期的功能。金屬增材制造技術的日益廣泛應用帶來了驗證難題，因為在這種一層一層逐步制造部件的增量過程中有可能產生不一致性風險，而傳統的制造方法則不會存在這種問題。微小缺陷通?？刹捎肅T掃描進行檢測，這就帶來了以下問題?它們對部件性能會產生哪些影響？根據CT掃描數據仿真成品部件性能這一新方法，正被用于對TARANIS航天器的太陽組件傳感器(SAS)支架進行驗證。

在距離地面20到100千米高度的大氣層中，一直存在著2000多處活躍雷暴。這些瞬態發光事件最近才得以發現，其中每個都能在每秒產生50到100次閃電，因此現有知識僅限于從地面觀察發光情況。為了更深入地了解雷暴區域對地球大氣層、電離層和磁層的影響，負責制定和實施法國太空政策的法國國家太空研究中心(CNES)將發射一顆TARANIS微衛星，以從700公里的高度觀測這些雷暴區域。

TARANIS微衛星的高度與軌道控制系統(AOCS)將能精確確定和控制衛星的定位。AOCS采用SAS來探測太陽方位。SAS支架可為傳感器提供180度清晰視圖。它安裝在用于旋轉傳感器的裝置上，從而在任何衛星方位都能夠觀察到太陽。傳感器在裝置中的位置加上支架的杠桿作用使得傳感器對于火箭在發射過程中產生的動態環境非常敏感。因此，支架需要滿足一項最重要的結構要求：其剛度必須足以維持超過350Hz的主模態頻率。低于該值的模態頻率有可能影響發射器和航空器主模式并且損壞傳感器。

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“CT掃描與有限元(FE)分析 結合在一起，可對成品部件進行結構仿真，從而更準確地預測 部件性能。”

ANSYS在增材制造領域的 
仿真驅動產品研發愿景

增材制造技術能顯著減重

增材制造之所以有望成為生產SAS支架的制造方法，原因在于它能消除傳統減材制造工藝的可制造性設計約束。工程師采用拓撲優化功能，以全面發揮增材制造帶來的設計自由度，首先從空白空間開始，然后迭代優化后的設計，并同時修改部件的基本形狀與尺寸。通過將支架內部的組件從11個減少到僅剩1個，工程師最終獲得了能降低制造與裝配成本的設計方案。與此同時，支架重量減輕了30%，因而能以同等程度提高航空器的有效載荷。

我們不能假定增材制造技術生產的部件沒有內部缺陷。業界剛開始針對航空航天應用評估三維(3D)打印部件，由于在太空無法進行維修，因而需要充分驗證部件的可靠性。目前，CT掃描是一種評估增材制造部件合規性的最常用方法，因為它能在不破壞部件的情況下檢測內部缺陷。不久之前，工程師還只能利用CT掃描檢測缺陷；他們無法量化這些缺陷對成品部件特性的影響。

成品部件仿真

在這個項目中共生成了1300張關于SAS支架的CT圖像，而且工程師采用數學算法合成了這些圖像，最終重建了部件體積。在3D掃描數據中，空隙顯示為深灰區域，而雜質顯示為淺灰區域。另外，部件中的鈦螺絲顯示為淺色人工制品。在處理掃描數據的過程中，Simpleware和ELEMCA工程師采用Simpleware的ScanIP圖像處理平臺導入了掃描數據。通過設置閾值來區分部件和周圍環境，并將后者排除在外，工程師采用ScanIP檢測立體像素（在3D空間中與2D空間像素類似的網格的值），并分割了相關結構。他們采用手動分割方法進一步改善了掃描數據，例如：確定螺絲孔并去除螺絲。工程師采用Simpleware的FE模塊來劃分幾何結構的網格，以自動生成粗糙網格，同時增強梯度較高的細節。然后，導出了包含大約45萬個單元的最終模型，以作為有限元分析的本地ANSYS模型。

在ANSYS Workbench中設置的邊界條件與用于創建原始設計的結構仿真相同。他們加入了位于基座上的固定支架、支架的質點質量以及位于接頭處代表SAS的質點質量。ANSYS Mechanical的結果表明，增材制造產生的設計符合主要的飛行要求，而且模態頻率遠遠低于臨界值。成品部件的Von Mises應力值稍微低于在CAD模型的結構仿真中獲得的值。ELEMCA工程師認為應力降低的原因是：根據CT掃描數據生成的模型中移除了螺絲以及其他幾個次要組件。關鍵是部件的雜質和空隙非常小，這對性能的影響微不足道。

仿真在驗證此部件的過程中發揮了重要作用，該部件目前正在進行物理測試，有望用于太空任務。它可以證明如何將CT掃描與有限元(FE)分析結合在一起，以對成品部件進行結構仿真，從而更準確地預測部件性能。在針對關鍵的航空航天與國防應用驗證增材制造部件時，這種技術進步應當有助于應對艱巨挑戰。通過利用Simpleware軟件研發成品模型以及采用ANSYS軟件執行虛擬測試，ELEMCA充分發揮了增材制造技術的潛力，不僅能夠制造出更輕量化、具有卓越機械特性的復雜機械部件，而且還避免了產生昂貴的加工費用。

參考文獻
Uzanu, J.; Dhennin, J.; Nixon, M.; Harman, D.; Desmarres, J-M. Quality Control of a Metallic Additive Layer Manufacturing Part Thanks to X-ray Computerized Tomography and Finite Element Modeling, 14th European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing, Toulouse, France, September 27–30, 2016.