МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЛАЗЕРНОЙ ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЕЧНОГО КОРОБЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ

  • Авторы: Сметанников О.Ю.1, Бекмансуров М.Р.2, Ильиных Г.В.1, Донгаузер К.А.3
  • Учреждения:
    1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    2. Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ОДК-Авиадвигатель
    3. ОДК-Авиадвигатель
  • Выпуск: № 6 (2023)
  • Страницы: 124-134
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4035
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.6.12
  • Цитировать

Аннотация


Аддитивные технологии, частью которых является лазерная порошковая наплавка (ре- монтная технология), позволяют создавать изделия за счет последовательного наплавле- ния слоев порошка. Такой процесс предполагает большие температурные градиенты и тех- нологические остаточные напряжения, которые могут приводить к нарушению формы, из- менению механических и эксплуатационных характеристик изделия. Для контроля и предотвращения появления остаточных деформаций в теле наплавки имеет смысл прово- дить конечно-элементное моделирование процесса лазерной порошковой наплавки при по- мощи технологии послойной активации или добавления новых конечных элементов на по- верхности наплавляемой модели. Наиболее подходящим для решения задачи будет метод рождения/смерти элементов (Element Birth/Death), в котором элементы для еще не создан- ного материала деактивируются (и, таким образом, не включаются в область решения), а затем постепенно возрождаются и включаются в область решения. Наращивание матери- ала производится дискретно. На каждом подэтапе расчёта, соответствующем «оживлению» очередной подобласти из «мертвых» элементов, решается связанная задача теплопровод- ности и механики деформированного твёрдого тела, причём результат решения предыду- щего подэтапа служит начальными условиями для последующего. Разработана математи- ческая модель и алгоритм моделирования коробления при наплавке, проведены расчеты наплавки цилиндрических образцов. В ходе расчетов была использована полилинейная мо- дель пластичности MISO для материала образца и билинейная модель пластичности BISO для присадочного порошка. Проведена верификация модели по результатам оптического контроля изменения геометрии экспериментальных образцов после реальной наплавки. По- грешность расчета коробления не превысила 5 %.

Полный текст

Процесс лазерной порошковой наплавки заключается в постепенном нанесении тонких слоёв нагретого матери- ала на поверхность детали. Такой процесс предполагает большие температурные градиенты и технологические остаточные напряжения, которые могут приводить к нару- шению формы изделия, изменению механических и экс- плуатационных характеристик объекта [1–21]. Существуют разные варианты моделирования про- цесса лазерной порошковой наплавки методом конечных элементов [22], в том числе метод, отображающий ло- кальное поле остаточных напряжений, вычисленное на мезомасштабном уровне [23], метод собственных дефор- маций (inherent-strain method) [24], построение аналити- ческих выражений деформационного параметра для оценки максимальных остаточных деформаций [25; 26] и др. Однако для моделирования порошковой наплавки на изделия сложной произвольной формы основным подходом (в рамках МКЭ) является технология послой- ной активации или добавления новых конечных элемен- тов на поверхности наплавляемой модели. Применяются три наиболее часто используемых ме- тода моделирования осаждения материала – так называ- емый рождающийся элемент (element birth), спящий эле- мент (quiet element) и гибридная активация (hybrid activation) [27; 28]. В методе рождающегося элемента элементы для еще не созданного материала деактивиру- ются (и, таким образом, не включаются в область решения), а затем постепенно возрождаются и включа- ются в область решения. В методе спящих элементов все элементы присутствуют в расчетной модели с самого начала и имеют искусственные свойства с очень малой жесткостью. По мере наращивания детали свойства этих элементов поэтапно переключаются на реальные физи- ческие свойства. Наконец, гибридный метод активации сочетает в себе методы рождающихся и спящих элемен- тов, где активируется только текущий слой осаждения и устанавливается в спящее состояние, а все последующие слои деактивируются [29]. В расчетной программе ис- пользуется технология «смерти» и последующего «оживления» (Elements Birth and Death) элементов [30; 31]. При этом в качестве расчётной рассматривается об- ласть, занимаемая уже готовым изделием. Наращивание материала производится дискретно. На каждом подэтапе расчёта, соответствующем «оживлению» очередной по- добласти из «мертвых» элементов, решается краевая за- дача теплопроводности и механики деформированного твёрдого тела, причём результат решения предыдущего подэтапа служит начальными условиями для последую- щего. Существует два подхода к решению этих краевых за- дач. Первый подход – решение связанной задачи в неста- ционарном режиме, который заключается в использова- нии конечных элементов, имеющих в качестве степеней свободы как температуру, так и перемещения. Однако такой подход содержит в себе определенные недостатки, в том числе неустойчивость решения и большие требова- ния к вычислительным ресурсам. Другим подходом является анализ теплопроводности в нестационарном ре- жиме с последующим анализом упругопластических де- формаций [32]. Другими словами, сначала численно ре- шается задача нестационарной теплопроводности, затем температурное поле импортируется в термомеханиче- скую модель в качестве нагрузки для расчёта напряже- ний и деформаций. Для обеспечения большей эффектив- ности вычислений используется принцип, при котором одновременно активируются несколько групп элемен- тов, соответствующих последовательности нескольких подэтапов [33; 34].

Об авторах

О. Ю. Сметанников

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

М. Р. Бекмансуров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ОДК-Авиадвигатель

Г. В. Ильиных

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

К. А. Донгаузер

ОДК-Авиадвигатель

Список литературы

  1. Overview of modelling and simulation of metal powder bed fusion process at Lawrence Livermore National Laboratory / W. King, A. Anderson, R. Ferencz, N. Hodge, C. Kamath, S. Khairallah // Material Science and Technology. – 2015. – Vol. 31, no. 8. – P. 957–968.
  2. Numerical simulation of welding distortion in laser metal deposition additive manufacturing process / K. Dongauzer, M. Boyarshinov, M. Bekmansurov, D. Shamov // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 338–343. 10.4028/p-3s97k6
  3. Донгаузер К.А., Бояршинов М.Г., Бекмансуров М.Р. Численное моделирование деформаций в аддитивном техноло- гическом процессе лазерной порошковой наплавки // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 68. – С. 30–37.
  4. Сметанников О.Ю., Максимов П.В., Трушников Д.Н. Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки про- волочных материалов на формирование остаточных деформа- ций // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2019. – № 2. – С. 181–194.
  5. Корсмик Р.С. Формирование наплавленного металла при лазерной наплавке и прямом лазерном выращивании с при- менением проволок // Znanstveba Misel. – 2019. – № 2-1 (27). – С. 41–49.
  6. Шаронова Н.И., Рыков Е.В., Осипов С.Г. Технология восстановления деталей ГТД на специализированной отече- ственной установке для порошковой лазерной наплавки // Наука-производству. – 2017. – С. 137–148.
  7. Ельцов В.В., Потехин В.П., Дитенков О.А. Математиче- ское моделирование процесса формирования усадочного кратера при наплавке // Сварочное производство. – 2012. – № 1. – С. 9–16.
  8. Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing / C. Li, Y. Wang, H. Zhan, T. Han, B. Han, W. Zhao // Materials Design. – 2010. – Vol. 31, no. 7. – P. 3366–3373. doi: 10.1016/j.matdes.2010.01.054
  9. Омелин А.А. Исследование моделирования процесса лазерной наплавки сплавов на никелевой основе // Электрофи- зические методы обработки в современной промышленности: материалы 4-й Международной научно-практической конфе- ренции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Пермь, 2021. – С. 320–325.
  10. 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. – P. 898–903.
  11. Experimental and numerical analysis of residual stresses in additive layer manufacturing by laser melting of metal powders / Ibiye A. Roberts [et al.] // Key Engineering Materials. – 2011. – Vol. 450. – pp. 461-465.
  12. 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.
  13. Войнов П.С., Беленький В.Я., Белинин Д.С. Возмож- ности применения аддитивных технологий при конструирова- нии и производстве вооружения, военной и специальной тех- ники // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 70–78.
  14. Корсмик Р.С., Туричин Г.А., Климова-Корсмик О.Г. Лазерная порошковая восстановительная наплавка лопаток га- зотурбинного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2016. – Т. 15, № 3.
  15. Abhijit Singh, Ananya Nath, Shibendu Shekhar Roy Modeling of laser aided direct metal deposition of stainless steel using supervised deep learning algorithms // Materials today proceeding. – 2022. – Vol. 2, part 1. – P. 360–366.
  16. Петрова М.П., Кукушкин А.А. Исследование возмож- ности применения лазерной наплавки для восстановления из- носа плунжера топливного насоса высокого давления // Исто- рия и перспективы развития транспорта на севере России. – 2019. – № 1. – С. 97–99.
  17. Крылова С.Е., Завьялов В.А., Оплеснин С.П. Обеспе- чение эксплуатационных характеристик оборудования нефте- газодобывающей отрасли на основе совершенствования техно- логии газопорошковой лазерной наплавки // Вестник современ- ных технологий. – 2019. – № 1 (13). – С. 19–25.
  18. Рахимов Р.Р., Саубанов Р.Р., Звездин В.В. Технологи- ческое обеспечение качества поверхности при лазерной наплавке с использованием плазменной очистки // Низкотемпе- ратурная плазма в процессах нанесения функциональных по- крытий. – 2019. – Т. 1, № 10. – С. 294–298.
  19. An experimental investigation into additive manufacturing- induced residual stresses in 316L stainless steel / A. Wu, D. Brown, M. Kumar, G. Gallegos, W. King // Metall. Mater. Trans. – 2014. – Vol. 45A. – P. 1–11.
  20. Baufeld B., Van der Biest O., Gault R. Additive manufacturing of Ti–6Al–4V components by shaped metal deposition: Microstructure and mechanical properties // Materials Design. – 2010. – Vol. 31. – P. 106–111.
  21. 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.
  22. Никитюк Ю.В., Баевич Г.А., Мышковец В.Н. Приме- нение метода конечных элементов и искусственных нейронных сетей для определения параметров лазерной обработки стали 12Н18Н9Т // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. – 2022. – № 1(88). – С. 48–55.
  23. A multiscale modeling approach for fast prediction of part distortion in selective laser melting / C. Li, C. Fu, Y. Guo, F. Fang // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 229. – P. 703–712. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.10.022
  24. Yuan M.G., Ueda Y. Prediction of residual stresses in welded T- and I-joints using inherent strains // Journal of Engineering Materials and Technology. – 1996. – Vol. 118, no. 2. – P. 229– 234. doi: 10.1115/1.2804892
  25. Printability of alloys for additive manufacturing / T. Mukherjee, J.S. Zuback, A. De, T. Debroy // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – Article No. 9717. doi: 10.1038/srep19717
  26. Mitigation of thermal distortion during additive manufacturing / T. Mukherjee, V. Manvatkar, A. De, T. DebRoy // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 127. – P. 79–83. doi: 10.1016/j.scriptamat. 2016.09.001.
  27. Toward an integrated computational system for describing the additive manufacturing process for metallic materials / R. Martukanitz, P. Michaleris, T. Palmer, T. DebRoy, Z.-K. Liu, R. Otis [et al.] // Additive Manufacturing. – 2014. – Vol. 1. – P. 52–63. doi: 10.1016/j.addma.2014.09.002
  28. 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
  29. Denlinger E.R., Michaleris P. Effect of stress relaxation on distortion in additive manufacturing process modeling // Additive Manufacturing. – 2016. – Vol. 12. – P. 51–59.
  30. Мальцев А.С., Максимов П.В. Численное моделиро- вание контактных напряжений в платиках при клеевом и сва- рочном соединении элементов маятникового акселерометра // Математика и междисциплинарные исследования – 2020: мате- риалы всероссийской научно-практической конференции мо- лодых ученых с международным участием. – Пермь, 2020. – С. 112–115.
  31. Муругова О.В., Никифоров Р.В. Новые разработки в области компьютерных расчетов для производства сварных конструкций // Станкостроение и инновационное машиностро- ение. Проблемы и точки роста: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Уфа, 2019. – С. 393–397.
  32. 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.
  33. 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.
  34. Computational modeling of residual stress formation during the electron beam melting process for Inconel 718 / P. Prabhakar, W. Sames, R. Dehoff, S. Babu // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 7. – P. 83–91. doi: 10.1016/j.addma.2015.03.003
  35. Лупин Г.А. Принципы измерений при помощи опти- ческой координатно-измерительной топометрической системы ATOS // Биотехнические, медицинские и экологические си- стемы, измерительные устройства и робототехнические ком- плексы (биомедсистемы-2021): сборник трудов 34-й Всерос- сийской научно-практической конференции студентов, моло- дых ученых и специалистов. – Рязань, 2021. – С. 304–308.
  36. Решетникова О.В. Сравнительный анализ перспективных контактных и бесконтактных средств контроля // Юность и знания – гарантия успеха – 2019: сборник научных трудов 6-й Международ- ной молодежной научной конференции. – Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. – Т. 3. – С. 283–285.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 234

PDF (Russian) - 170

Cited-By


PlumX


© Сметанников О.Ю., Бекмансуров М.Р., Ильиных Г.В., Донгаузер К.А., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах