SIMULATION OF INTERIM FORGING OF DEPOSITED PRODUCTS IN ANSYS MECHANICAL APDL (IMPLICIT ANALYSIS)

Abstract


The paper considers the problem of simulating the interim forging during additive manufac-turing. Wire-arc additive technologies are associated with formation of technological residual stress fields, porosity, inhomogeneous structure and anisotropy, as well as unwanted defects, such as cracks, delamination or warping of the part. Interlayer hardening via forging both com-pensates such disadvantages and improves the mechanical properties of structures. Mathemat-ical modeling is one of main methods of studying these processes. There are a lot of publica-tions on modeling the formation of fields of residual stresses and heat shrinkage deformations in products obtained using additive technologies, including the method of wire welding. The work aims at checking the adequacy of using ANSYS Mechanical APDL for numerical modeling of interim metal forming processes. In this work, the Johnson – Cook viscoplastic model from Ex-plicit Dynamics was adapted to the capabilities of ANSYS Mechanical APDL for three materials: Amg6, 12X18H10T, VT6. As a physical model in ANSYS Mechanical APDL, a multilinear iso-tropic MISO plasticity model is chosen, which, unlike the Johnson – Cook model, does not take into account the effect of strain rate on the elastic-plastic behavior of the material. The values of the material constants for the MISO model are identified. The adequacy of replacing the non-stationary statement with a quasi-static one is proved, due to a slight loss of accuracy. A three-dimensional model of bar forging for three types of materials was built and implemented, its identification and verification were carried out by comparing with the results of a full-scale exper-iment. A good agreement between the calculated data and experiment is shown. Based on the data obtained, a conclusion was made about the admissibility of using the implicit solver ANSYS Mechanical APDL for calculating the processes of interim forging of the deposited products with acceptable accuracy.

Full Text

Аддитивное производство (АП) – процесс построе-ния трехмерных (3D) деталей на основе цифровой моде-ли постепенным добавлением тонких слоев материала. Эта особенность позволяет производить сложные или уникальные детали непосредственно из цифровой моде-ли без необходимости разработки дорогостоящей оснастки или литейных форм, снижает потребность во многих обычных этапах обработки. Сложные детали могут быть выполнены в один прием, без ограничений, присущих традиционным методам обработки. Кроме того, детали могут производиться по мере необходимо-сти, снижая резерв запасных частей и сокращая время выполнения для критически важных или устаревших запасных деталей. По этим причинам в настоящее время АП признается в качестве новой парадигмы для проектирования и производства компонентов аэрокосмического, медицинского, энергетического и автомобильного применения. Одно из направлений развития аддитивного произ-водства (АП) – гибридный способ изготовления изде-лий, который включает в себя непосредственно как сам процесс послойного формирования объема, так и сопут-ствующую механическую обработку [1–3], что хорошо подходит для изготовления крупных деталей низкой и средней форм сложности. При создании изделий методами АП наблюдаются существенные температурные градиенты и, как резуль-тат, технологические и остаточные напряжения, нару-шающие проектируемую форму изделия, снижающие эксплуатационные параметры объекта, иногда приво-дящие к разрушению в процессе АП [4–11]. Численное моделирование процесса наплавки проволочного мате-риала (см., например, [12; 13]) используется для выбора технологических режимов, снижающих уровень упомя-нутых отрицательных явлений. Расчет прямой задачи наплавки предполагает при-менение одной из двух основных методик: связанное последовательное решение тепловой и структурной задач [14] или полнокомпонентный анализ, решающий уравнения теплопроводности и МДТТ одновременно [15]. Следует отметить повышенную ресурсоемкость последней. В зависимости от используемого для расчета про-граммного продукта решение задачи наращивания ма-териала может проводиться либо по технологии добав-ления новых (quiet element), либо активизации элемен-тов к предварительно размещенным (element birth) [16; 17]. Применяется также смешанная методика, где активируется только текущий слой осаждения и уста-навливается в спящее состояние, а все последующие слои деактивируются [18]. Для повышения эффективности вычислений ис-пользуется принцип группировки последовательно на-ращиваемых элементов, слоев для последующей одно-временной активации [19; 20]. На сегодняшний день для исследования сложных термодинамических процессов, происходящих при фор-мировании изделия аддитивным способом, применяются различные методы и подходы, описанные в современной научной литературе. К основным способам изучения относится математическое моделирование, в том числе компьютерное моделирование на основе численных алгоритмов, цифровых моделей и многовариантного анализа процесса при различных вариантах реализации техно-логических параметров АП, учитываемых при помощи разного набора краевых условий. Имеется достаточно большой объем публикаций в части моделирования процессов формирования полей остаточных напряжений и термоусадочных деформаций в изделиях, получаемых с использованием аддитивных технологий, в том числе методом проволочной наплавки. Зачастую при этом используются уже имеющиеся на рынке вычислительные программные пакеты и комплексы общего назначения, в том числе ANSYS. Подобный подход обусловлен тем, что у разработчика ПО нет необходимости создавать дополнительные инстру-менты, связанные с подготовкой моделей для расчетов, а также с визуализацией полученных результатов, так как эти возможности реализованы штатными средствами известных CAD/CAE-систем. Особое место в технологических схемах аддитив-ной наплавки занимает кластер методик с использова-нием промежуточной обработки давлением (проковки). Из [21–25] известно, что с помощью проковки мож-но уплотнить материал, измельчить его структуру и повысить его механические свойства. При этом эффек-тивность такой обработки зависит от вида обрабаты-ваемого материала, формы бойка, волновода и инстру-мента, что требует отработки технологических режимов проковки для достижения наилучших результатов. Из [26] известно, что межслойное упрочнение удар-ной обработкой уменьшает размер первичного -зерна в направлении выращивания со 120 мм до 46 микрон. Увеличивает количество мест зарождения и уменьшает длину (с 25,5 до 14,8 микрон) и ширину (с 1,4 до 0,8 микрон) -зерен. Кроме того, приводит к уменьшению анизотропии материала, увеличению предела текуче-сти и предела прочности при растяжении без уменьшения удлинения. В работе [27] выявлено, что глубина измельчения зерна значительно больше глубины пластических де-формаций: так, при внедрении инструмента на 1,2 мм глубина измельчения зерна составила 3 мм. Применение ультразвуковой ударной обработки [28] приводит к чередующемуся распределению корот-ких столбчатых зерен и равноосных зерен. Такое рас-пределение ведет к уменьшению размеров зерен. При применении ультразвуковой обработки размер столбчатых и равноосных зерен составляет 371 и 186 мкм соответственно. В то время как размер столбчатых зерен без обработки может составлять десятки миллиметров. Таким образом, ввиду измельчения структуры обработанные образцы демонстрируют повышение прочности на разрыв с 870 до 934 МПа и снижение среднего удлинения с 11,95 до 10,29 %. Кроме того, данная методика оказывает значительное влияние на снижение остаточных напряжений и улучшение качества поверхности. Согласно [29] образцы с ультразвуковой ударной обработкой обладают лучшими свойствами прочности без существенных изменений пластичности, средний предел прочности при растяжении увеличивается с 996 до 1059 МПа, а анизотропия снижается с 6 до 0,8 %. Тем не менее полученные авторами образцы обладают плохим качеством поверхности и увеличивают припуск на механическую обработку. Кроме того, относительное удлинение образцов достигает 8 % от требуемых стандартами 10 %. Тем не менее проковка наплавляемых изделий име-ет ряд недостатков: недостаточное измельчение зерна, неоптимальный источник тепла или способ наплавки, приводящий к росту измельченного зерна, отклонение формы изделий и низкое качество поверхности. Таким образом, требуются исследования для устра-нения существующих недостатков послойной ударной обработки, а также отработки ее технологических ре-жимов с различными материалами и формами инстру-мента, что в итоге позволит повысить качество трех-мерной наплавки металлических изделий. В работе [30] представлена численная модель для оценки влияния поверхностной обработки наплавляе-мых изделий на их остаточное напряженно-деформированное состояние. Для численных расчетов в работе используется пакет LS-DYNA®, в котором в квазистатической постановке реализован метод конечных элементов с учётом геометрической и физической нелинейностей. Авторами, в частности, экспериментально исследовано влияние различных факторов (геометрия обрабатываемого изделия, вид сплава, глубина обработки) на остаточные НДС и твердость. Применение LS-DYNA® для расчета всего процесса производства изделий методом наплавки представляется затруднительным, так как в данном пакете программ отсутствует механизм «умерщвления» и «оживления» элементов (Ekill и Ealive). Вместе с тем эта методика является ключевой для имитации естественного напряженного состояния вновь наращиваемого слоя материала. Поэтому в данной статье проведена оценка применимости классических неявных решателей ANSYS Mechanical APDL для решения задач обработки давлением наращиваемых конструкций. В первой части исследования оценивается погрешность, вносимая гипотезой пренебрежимой малости нестационарных эффектов (квазистатичность) задачи.

About the authors

O. Yu. Smetannikov

Perm National Research Polytechnic University

D. N. Trushnikov

Perm National Research Polytechnic University

A. A. Anisimov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) - Advantages of Wire AM vs. Powder AM [Электронный ресурс] // Sciake Inc. - URL: http://additivemanufacturing.com/2015/10/14/electron-beam-additive-manufacturing-ebam-advantages-of-wire-am-vs-powder-am (дата обращения: 14.10.2022).
  2. Jhavar S., Jain N.K., Paul С.P. Development of micro-plasma transferred arc (μ-PTA) wire deposition process for additive layer manufacturing applications // Journal of Materials Processing Technology. - 2014. - Vol. 214, no. 5. - P. 1102-1110. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.12.016
  3. Hybrid-layered manufacturing using tungsten inert gas cladding / S. Kapil, F. Legesse, P. Kulkarni, P. Joshi, A. Desai, K.P. Karunakaran // Progress in Additive Manufacturing. - 2016. - Vol. 1, no. 1-2. - P. 79-91. doi: 10.1007/s40964-016-0005-8
  4. Overview of modelling and simulation of metal powder bed fusion process at Lawrence Livermore National Laboratory / W. King, A. Anderson, R.M. Ferencz, N.E. Hodge, C. Kamath, S. Khairallah // Material Science and Technology. - 2015. - Vol. 31, no. 8. - P. 957-968. doi: 10.1179/1743284714y.0000000728
  5. Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing / L. Chaowen, W. Yong, Z. Huanxiao, H. Tao, H. Bin, Z. Weimin // Materials and Design. - 2010. - Vol. 31, no. 7. - P. 3366-3373. doi: 10.1016/j.matdes.2010.01.054
  6. Ma L., Bin H. Temperature and stress analysis and simulation in fractal scanning-based laser sintering // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2007. - Vol. 34, no. 9-10. - P. 898-903. doi: 10.1007/s00170-006-0665-5
  7. Experimental and Numerical Analysis of Residual Stresses in Additive Layer Manufacturing by Laser Melting of Metal Powders / I.A. Roberts, C.J. Wang, M. Stanford, K.A. Kibble, D.J. Mynors // Key Engineering Materials. - 2011. - Vol. 450. - P. 461-465. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.450.461
  8. Investigation of Residual Stresses in Selective Laser Melting / L. Parry, I. Ashcroft, D. Bracket, R.D. Wildman // Key Engineering Materials. - 2015. - Vol. 627. - P. 129-132. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.627.129
  9. An experimental investigation into additive manufacturing-induced residual stresses in 316L stainless steel / A.S. Wu, D.W. Brown, M. Kumar, G.F. Gallegos, W.E. King // Metall. Mater. Trans. - 2014. - Vol. 45, no. 13. - P. 1-11. doi: 10.1007/s11661-014-2549-x
  10. Baufeld B., Van der Biest O., Gault R. Additive manufacturing of Ti-6Al-4V components by shaped metal deposition: Microstructure and mechanical properties // Materials and Design. - 2010. - Vol. 31. - P. 106-111. doi: 10.1016/j.matdes.2009.11.032
  11. Macroscopic modelling of the selective beam melting process / D. Riedlbauer, J. Mergheim, A. McBride, P. Steinmann // Proc. Appl. Math. Mech. - 2012. - Vol. 12, no. 1. - P. 381-382. doi: 10.1002/pamm.201210179
  12. Shaped Metal Deposition Processes In book: Encyclopedia of Thermal Stresses / C. Agelet de Saracibar, A. Lundbäck, M. Chiumenti, M. Cervera. - Publisher: Springer Dordrecht, 2014. - P. 4346-4355. doi: 10.1007/978-94-007-2739-7_808
  13. Lundbäck A. Modelling of metal deposition // Finite Elements in Analysis and Design. - 2011. - Vol. 47, no. 10. - P. 1169-1177. doi: 10.1016/j.finel.2011.05.005
  14. Labudovic M., Hu D., Kovacevic R. A three dimensional model for direct laser metal powder deposition and rapid prototyping // Journal of Materials Science. - 2003. - Vol. 38, no. 1. - P. 35-49. doi: 10.1023/a: 1021153513925.
  15. Linking process, structure, property, and performance for metal-based additive manufacturing: computational approaches with experimental support /j. Smith [et al.] // Computational Mechanics. - 2016. - Vol. 57, no. 4. - P. 583-610. doi: 10.1007/s00466-015-1240-4
  16. Toward an integrated computational system for describing the Additive Manufacturing process for metallic materials / R. Martukanitz [et al.] // Additive Manufacturing. - 2014. - Vol. 1. - P. 52-63. doi: 10.1016/j.addma.2014.09.002
  17. Michaleris P. Modeling metal deposition in heat transfer analyses of additive manufacturing processe // Finite Elements in Analysis and Design. - 2014. - Vol. 86. - P. 51-60. doi: 10.1016/j.finel.2014.04.003
  18. Denlinger E.R., Michaleris P. Effect of stress relaxation on distortion in Additive Manufacturing process modeling // Additive Manufacturing. - 2016. - Vol. 12. - P. 51-59. doi: 10.1016/j.addma.2016.06.011
  19. Korner C. Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting - a review // International Materials Reviews. - 2016. - Vol. 61, no. 5. - P. 361-377. doi: 10.1080/09506608.2016.1176289
  20. Prabhakar P., Sames W., Dehoff R., Babu S.Computational modeling of residual stress formation during the electron beam melting process for Inconel 718 // Additive Manufacturing. - 2015. - Vol. 7. - P. 83-91. doi: 10.1016/j.addma.2015.03.003
  21. Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.А. Жирков, О.Н. Федонин, С.О. Федонина, А.В. Хандожко // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. - № 4 (52). - С. 151-160.
  22. Аддитивно-субтрактивные технологии-эффективный переход к инновационному производству / А.В. Киричек, О.Н. Федонин, Д.Л. Соловьев, А.А. Жирков, А.В. Хандожко, Е.В. Смоленцев // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2019. - № 8 (81). - С. 4-10.
  23. Влияние обрабатываемой среды на эффективность передачи энергии ударного импульса при волновом деформационном упрочнении / А.В. Киричек, С.В. Баринов, А.В. Яшин, А.А. Зайцев, А.М. Константинов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2019. - № 11 (84). - С. 13-18.
  24. Влияние материала и размеров изделия на параметры упрочнения волной деформации / А.В. Киричек, С.В. Баринов, А.В. Яшин, Л.Г. Никитина, А.М. Константинов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2021. - № 2 (99). - С. 21-27.
  25. Влияние параметров ударной системы, размеров и материала обрабатываемой детали на эффективность волнового деформационного упрочнения (моделирование) / А.В. Киричек, С.В. Баринов, А.А. Зайцев, А.М. Константинов // Транспортное машиностроение. - 2022. - № 1-2 (1-2). - С. 40-52.
  26. Byun J.G., Yi H., Cho S.M. The effect of interpass peening on mechanical properties in additive manufacturing of Ti-6Al-4V // Journal of Welding and Joining. - 2017. - Vol. 35, no. 2. - P. 6-12. doi: 10.5781/JWJ.2017.35.2.2
  27. Hönnige J.R., Colegrove P., Williams S. Improvement of microstructure and mechanical properties in wire+ arc additively manufactured Ti-6Al-4V with machine hammer peening // Procedia engineering. - 2017. - Vol. 216. - P. 8-17. doi: 10.1016/j.proeng.2018.02.083
  28. Residual stress, mechanical properties, and grain morphology of Ti-6Al-4V alloy produced by ultrasonic impact treatment assisted wire and arc additive manufacturing / Y. Yang [et al.] // Metals. - 2018. - Vol. 8, no. 11. - P. 934. doi: 10.3390/met8110934
  29. Effects of ultrasonic peening treatment in three directions on grain refinement and anisotropy of cold metal transfer additive manufactured Ti-6Al-4V thin wall structure /j. Gou [et al.] // Journal of Manufacturing Processes. - 2020. - Vol. 54. - P. 148-157. doi: 10.1016/j.jmapro.2020.03.010
  30. Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса. Применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением / И.Э. Келлер, А.В. Казанцев, Д.С. Дудин, Г.Л. Пермяков, М.Ф. Карташев // Вычислительная механика сплошных сред [Computational continuum mechanics]. - 2021. - Т. 14, № 4. - С. 51-60. doi: 10.7242/1999-6691/2021.14.4.36
  31. Khan A.S., Huang S. Continuum theory of plasticity. - John Wiley and Sons, 1995. - 421 p.
  32. LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume II. Material models. Version R11.0. - LSTC, 2019. - 1613 p. [Электронный ресурс]. - URL: https: //www.lstc.com/download/manuals (дата обращения: 10.10.2022).
  33. Динамическое деформирование алюминиевого сплава амг-6 при нормальной и повышенной температурах / Б.Л. Глушак, О.Н. Игнатова, В.А. Пушков, С.А. Новиков, А.С. Гирин, В.А. Синицын // Прикладная механика и техническая физика. - 2000. - Т. 41, № 6. - С. 139-143.
  34. Chandrasekaran H., M'Saoubi R., Chazal H. Modelling of material flow stress in chip formation process from orthogonal milling and split Hopkinson bar tests // Machining Science and Technology. - 2005. - No. 9. - P. 131-145. doi: 10.1081/MST-200051380
  35. Li L., He N. A FEA study on mechanisms of saw-tooth chip deformation in high speed cutting of Ti-6A1-4V alloy // Fifth International Conference on High Speed Machining. - France, 2006. - P. 759-767.
  36. Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки проволочных материалов на формирование остаточных деформаций / О.Ю. Сметанников, П.В. Максимов, Д.Н. Трушников, Г.Л. Пермяков, В.Я. Беленький, А.С. Фарберов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 2. - C. 181-194. doi: 10.15593/perm.mech/2019.2.15
  37. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 343 с.

Statistics

Views

Abstract - 314

PDF (Russian) - 252

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Smetannikov O.Y., Trushnikov D.N., Anisimov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies