إجهاد حراري في فوهات إنكونيل: تحليل ثلاثي الأبعاد لانهيار كارثي

في الشهر الماضي، فشل محرك صاروخي تجريبي بشكل عنيف أثناء اختبار ثابت على المنصة. تحطمت الفوهة، المصنوعة من سبيكة إنكونيل 718 باستخدام تقنية الانصهار بطبقة المسحوق (PBF-LB)، إلى أجزاء متعددة. بدأ فريق الهندسة تحليلاً جنائياً رقمياً باستخدام برنامج GOM Inspect لمسح الحطام وإعادة بناء الشكل الهندسي الأصلي. كان الهدف هو تحديد ما إذا كان الفشل ناتجاً عن الإجهاد الحراري الدوري أم عن عيب في الانصهار في الطبقات الداخلية للمكون.

إعادة البناء الحجمي والمحاكاة الحرارية للديناميكا الحرارية الحاسوبية (CFD) في برنامج ANSYS Fluent 🔥

بدأ خط الأنابيب بمسح ضوئي بصري عالي الدقة لأجزاء الفوهة. سمح برنامج GOM Inspect بمحاذاة القطع وإنشاء شبكة سطحية تم تصديرها إلى برنامج nTopology. هناك، تم إجراء إعادة بناء حجمي لملء المناطق المفقودة وإنشاء نموذج صلب كامل. تم استيراد هذا النموذج إلى برنامج ANSYS Fluent لإجراء محاكاة حرارية مقترنة للديناميكا الحرارية الحاسوبية. تم تطبيق شروط حدودية تمثل الاختبار: تدفق غازات عند درجة حرارة 3200 كلفن وضغط غرفة احتراق يبلغ 70 بار. أظهرت النتائج تدرجاً حرارياً شديداً في عنق الفوهة، مع درجات حرارة سطحية تتجاوز 1400 كلفن. كشف تحليل الإجهادات أن مناطق الإجهاد الأقصى تزامنت مع خطوط الكسر التي لوحظت في الحطام.

دروس حول نقص الانصهار والإجهاد في الطبقات المطبوعة ⚙️

الدراسة المجهرية لأسطح الكسر، المرتبطة بخرائط الإجهاد من برنامج ANSYS، حددت مناطق ذات مسامية مفرطة. أظهرت هذه المناطق نقصاً في الانصهار بين الطبقات المتجاورة، مما أدى إلى عملها كمركزات للإجهاد. أدى الإجهاد الحراري الدوري خلال الثواني التي سبقت الفشل إلى انتشار الشقوق من هذه العيوب حتى الانهيار الكارثي. تثبت هذه الحالة أنه في التطبيقات عالية الأداء، يجب أن تدمج محاكاة إجهاد المواد بيانات حقيقية من المسح ثلاثي الأبعاد لالتقاط عيوب التصنيع التي تتجاهلها النماذج المثالية.

ما هي تقنيات المحاكاة متعددة الفيزياء المحددة التي سمحت بربط أنماط التشقق التي لوحظت في التحليل الجنائي ثلاثي الأبعاد لفوهة إنكونيل مع دورات الإجهاد الحراري أثناء الفشل الكارثي للمحرك الصاروخي؟

(ملاحظة: إجهاد المواد يشبه إجهادك بعد 10 ساعات من المحاكاة.)