Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий
На основе теории растущих тел и унифицированной модели течения разработана модель оценки термомеханического состояния детали при многослойной наплавке, а также конечно-элементная методика численной реализации модели. На примере наплавки (наращивания) цилиндра по боковой поверхности установлено, что...
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Series: | Автоматическая сварка |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146768 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий / И.К. Сенченков, И.А. Рябцев, Э. Турык, О.П. Червинко // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 135-140. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146768 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1467682025-02-23T17:39:31Z Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий Using the theory of growing bodies in calculation of stress-strain state of the parts manufactured applying additive cladding technologies Сенченков, И.К. Рябцев, И.А. Турык, Э. Червинко, О.П. 3D аддитивные технологии На основе теории растущих тел и унифицированной модели течения разработана модель оценки термомеханического состояния детали при многослойной наплавке, а также конечно-элементная методика численной реализации модели. На примере наплавки (наращивания) цилиндра по боковой поверхности установлено, что схема одномоментного наращивания позволяет достаточно быстро получить количественные оценки уровня напряжений и деформаций при анализе различных вариантов технологических решений многослойной наплавки деталей. Однако она не позволяет учесть существенную неоднородность и ячеистую структуру распределений, а лишь описывает плавное усредненное изменение характеристик напряжений и деформаций вдоль цилиндра. Она не позволяет также исследовать такие тонкие технологические вопросы, как влияние на напряженно-деформированное состояние детали различных схем перекрытия наплавляемых валиков. В этом случае рекомендуется использовать методику расчета по схеме поваликового наращивания (наплавки). Удовлетворительное в целом согласование расчетных и экспериментальных данных свидетельствует об обоснованности и достоверности разработанного подхода к моделированию термомеханических процессов при многослойной наплавке деталей. Proceeding from the theory of growing bodies and unified model of flow, a model was developed for assessment of thermomechanical state of the part in multilayer cladding, as well as finite-element procedure of numerical realization of the model. In the case of cladding (building-up) a cylinder along its side surface it was established that the schematic of one-time building-up allows rather quickly obtaining qualitative evaluations of the level of stresses and strains at analysis of different variants of technological solutions for multilayer cladding of parts. However, it does not allow for the significant inhomogeneity and celullar structure of distributions, but just describes the smooth averaged change of characteristics of stresses and strains along the cylinder. It does not even allow studying such fine technological points as influence of different schematics of deposited bead overlapping on stress-strain state of the part. In this case, it is recommended to use the procedure of calculation by the schematic of bead-by-bead building-up (deposition). Generally satisfactory agreement of calculated and experimental data is indicative of the validity and reliability of the developed approach to modeling the thermomechanical processes in multilayer cladding of parts. 2016 Article Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий / И.К. Сенченков, И.А. Рябцев, Э. Турык, О.П. Червинко // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 135-140. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.06.21 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146768 621.791.92 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
3D аддитивные технологии 3D аддитивные технологии |
| spellingShingle |
3D аддитивные технологии 3D аддитивные технологии Сенченков, И.К. Рябцев, И.А. Турык, Э. Червинко, О.П. Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий Автоматическая сварка |
| description |
На основе теории растущих тел и унифицированной модели течения разработана модель оценки термомеханического состояния детали при многослойной наплавке, а также конечно-элементная методика численной реализации модели. На примере наплавки (наращивания) цилиндра по боковой поверхности установлено, что схема одномоментного наращивания позволяет достаточно быстро получить количественные оценки уровня напряжений и деформаций при анализе различных вариантов технологических решений многослойной наплавки деталей. Однако она не позволяет учесть существенную неоднородность и ячеистую структуру распределений, а лишь описывает плавное усредненное изменение характеристик напряжений и деформаций вдоль цилиндра. Она не позволяет также исследовать такие тонкие технологические вопросы, как влияние на напряженно-деформированное состояние детали различных схем перекрытия наплавляемых валиков. В этом случае рекомендуется использовать методику расчета по схеме поваликового наращивания (наплавки). Удовлетворительное в целом согласование расчетных и экспериментальных данных свидетельствует об обоснованности и достоверности разработанного подхода к моделированию термомеханических процессов при многослойной наплавке деталей. |
| format |
Article |
| author |
Сенченков, И.К. Рябцев, И.А. Турык, Э. Червинко, О.П. |
| author_facet |
Сенченков, И.К. Рябцев, И.А. Турык, Э. Червинко, О.П. |
| author_sort |
Сенченков, И.К. |
| title |
Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий |
| title_short |
Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий |
| title_full |
Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий |
| title_fullStr |
Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий |
| title_full_unstemmed |
Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий |
| title_sort |
использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
3D аддитивные технологии |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146768 |
| citation_txt |
Использование теории растущих тел при расчете напряженно-деформированного состояния деталей, изготавливаемых с применением аддитивных наплавочных технологий / И.К. Сенченков, И.А. Рябцев, Э. Турык, О.П. Червинко // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 135-140. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT senčenkovik ispolʹzovanieteoriirastuŝihtelprirasčetenaprâžennodeformirovannogosostoâniâdetalejizgotavlivaemyhsprimeneniemadditivnyhnaplavočnyhtehnologij AT râbcevia ispolʹzovanieteoriirastuŝihtelprirasčetenaprâžennodeformirovannogosostoâniâdetalejizgotavlivaemyhsprimeneniemadditivnyhnaplavočnyhtehnologij AT turyké ispolʹzovanieteoriirastuŝihtelprirasčetenaprâžennodeformirovannogosostoâniâdetalejizgotavlivaemyhsprimeneniemadditivnyhnaplavočnyhtehnologij AT červinkoop ispolʹzovanieteoriirastuŝihtelprirasčetenaprâžennodeformirovannogosostoâniâdetalejizgotavlivaemyhsprimeneniemadditivnyhnaplavočnyhtehnologij AT senčenkovik usingthetheoryofgrowingbodiesincalculationofstressstrainstateofthepartsmanufacturedapplyingadditivecladdingtechnologies AT râbcevia usingthetheoryofgrowingbodiesincalculationofstressstrainstateofthepartsmanufacturedapplyingadditivecladdingtechnologies AT turyké usingthetheoryofgrowingbodiesincalculationofstressstrainstateofthepartsmanufacturedapplyingadditivecladdingtechnologies AT červinkoop usingthetheoryofgrowingbodiesincalculationofstressstrainstateofthepartsmanufacturedapplyingadditivecladdingtechnologies |
| first_indexed |
2025-11-24T04:38:39Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:38:39Z |
| _version_ |
1849645197451853824 |
| fulltext |
3 аддитивные технологии
1 3 5 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
УДК 621.791.92
использование теории растУщих тел
при расчете напряЖенно-ДеФормированного
состояния Деталей, изготавливаемых
с применением аДДитивных
наплавочных технологий
И. К. СЕНЧЕНКОВ1, И. А. РЯБЦЕВ2, Э. ТУРЫК3, О. П. ЧЕРВИНКО1
1институт механики им. с.п.тимошенко нан Украины.
03057, Киев-57, ул. нестерова, 3. E-mail: ang@imech.freenet.kiev.ua
2институт электросварки им.е.о.патона нан Украины. 0360, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11.
E-mail: office@paton.kiev.ua
3институт сварки. 44100, г. гливице, польша, ул. Б. чеслава, 16-18.
E-mail: eugeniusz.turyk@glivice.pl
на основе теории растущих тел и унифицированной модели течения разработана модель оценки термомеханического
состояния детали при многослойной наплавке, а также конечно-элементная методика численной реализации модели.
на примере наплавки (наращивания) цилиндра по боковой поверхности установлено, что схема одномоментного на-
ращивания позволяет достаточно быстро получить количественные оценки уровня напряжений и деформаций при
анализе различных вариантов технологических решений многослойной наплавки деталей. однако она не позволяет
учесть существенную неоднородность и ячеистую структуру распределений, а лишь описывает плавное усредненное
изменение характеристик напряжений и деформаций вдоль цилиндра. она не позволяет также исследовать такие тонкие
технологические вопросы, как влияние на напряженно-деформированное состояние детали различных схем перекрытия
наплавляемых валиков. в этом случае рекомендуется использовать методику расчета по схеме поваликового наращи-
вания (наплавки). Удовлетворительное в целом согласование расчетных и экспериментальных данных свидетельствует
об обоснованности и достоверности разработанного подхода к моделированию термомеханических процессов при
многослойной наплавке деталей. Библиогр. 14, рис. 9.
К л ю ч е в ы е с л о в а : наплавка, аддитивные технологии, теория растущих тел, напряженно-деформированное со‑
стояние, остаточные напряжения, наплавленные валики, наплавленные слои
по общепринятому определению аддитивные тех-
нологии — это технологии производства деталей
сложной формы по трехмерной компьютерной
модели последовательным послойным нанесени-
ем материала [1–4]. согласно этому определению
наплавку также можно отнести к аддитивным тех-
нологиям. однако до сих пор при разработке адди-
тивных технологий с использованием сварочных
источников нагрева основное внимание уделялось
лазеру и электронному лучу [5, 6]. Другим спосо-
бам, в частности наплавке, в качестве аддитивных
технологий уделено меньше внимания. не доста-
точно анализировался также тот факт, что послой-
ное нанесение расплавленного металла в адди-
тивных технологиях ведет к тому, что в готовых
деталях формируется определенное напряжен-
но-деформированное состояние (нДс), которое
может привести к остаточным деформациям или
появлению в них трещин.
Экспериментальные методы исследования
нДс являются дорогими и трудоемкими процес-
сами, дающими весьма ограниченную инфор-
мацию. поэтому разработка моделей и методик
математического моделирования напряженно-де-
формированного и микроструктурного состояния
деталей в процессе наращивания, остаточного со-
стояния, а также напряжений в процессе эксплуа-
тации является актуальной задачей.
Цель данной работы — создание модели и ме-
тодики расчета напряженно-деформированного
состояния деталей, изготавливаемых с примене-
нием аддитивных наплавочных технологий. в ос-
нове методики лежит теория растущих тел [7], ко-
торая в наибольшей степени моделирует процесс
многослойной наплавки [8].
механическое поведение материала описыва-
ется моделью Боднера–партома [9], которая вклю-
чает следующие соотношения в прямоугольной
декартовой системе координат Oxyz:
– закон течения и уравнение пластической
несжимаемости
, 0, , , , ;p e p
ij ij ij kk i j x y zε = ε + ε ε = = (1)
– закон течения прандтля–рейсса
© и. К. сенченков, и. а. рябцев, Э. турык, о. п. червинко, 2016
3 аддитивные технологии
1 3 6 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
2
0 0
1/2
2 2
1exp ,2 3
n
p
ij ij
D K K
s
J J
+ ε = −
(2)
где
1
22 ;ij ijJ s s=
1
3 ;ij ij ij kks = σ − δ σ
;kk xx yy zzσ = σ + σ + σ
– эволюционное уравнение для параметра
изотропного упрочнения K
1 1( ) , (0) 0,pK m K K W K= − =
(3)
где p
p ij ijW = σ ε
; 0 0 1 1, , , ,D K K m n — параметры мо-
дели;
– закон гука
03 ( 3 ( )),kk kkK
ν
σ = ε − α θ − θ
( )2 ,p
ij ij ijs G e= − ε
1
3 ,ij ij kk ije = ε − ε δ
(4)
где , ,VG K α — модули сдвига, объемного сжатия
и коэффициент линейного теплового расширения.
соотношения дополняются универсальными
уравнениями квазистатического равновесия и те-
плопроводности, а также соответствующими гра-
ничными и начальными условиями.
рассматриваются две модели процесса много-
слойной наплавки деталей. первая — поваликовая
послойная наплавка (рис. 1, а), вторая – одномо-
ментная послойная наплавка (рис. 1, б).
в первой модели наращивания учитывается
наплавка каждого индивидуального валика в ка-
ждом из слоев. во второй модели, называемой од-
номоментной наплавкой, теория растущих тел ис-
пользуется для моделирования последовательного
одномоментного нанесения каждого отдельного
наплавляемого слоя. временнόй интервал между
присоединениями этих валиков или слоев, их раз-
меры, температура материала, время охлаждения
и т. п. выбираются из условия их эквивалентности
геометрическим, энергетическим и прочим пара-
метрам технологического процесса наплавки.
при моделировании растущих в процессе на-
плавки тел используются два подхода. первый
из них предусматривает построение конечно-эле-
ментной сетки (КЭ-сетки), которая покрывает как
наплавляемую деталь, так и все наплавляемые в
будущем слои. таким образом, количество узлов
КЭ-сетки не изменяется в процессе численно-
го моделирования. сущность второго, более эко-
номичного, подхода состоит в последовательном
присоединении элементов наращиваемого мате-
риала. при этом количество конечных элементов
изменяется. области наплавки в первом подходе
или наплавляемому элементу во втором подходе
первоначально приписываются свойства матери-
ала «пустоты», который считается термоупругим
материалом со следующими характеристиками:
E = 0; υ = 0,5; α = 0, (5)
где Е — модуль упругости, υ — коэффициент пу-
ассона, α — коэффициент линейного термическо-
го расширения.
значение коэффициента пуассона υ = 0,5 вы-
брано из условия соответствия свойствам рас-
плавленного (несжимаемого) материала, которым
будет заполняться элемент. при этом может иметь
место только деформация формоизменения. те-
плофизические свойства «пустоты» принимаются
такими же, как у наплавляемого металла. следо-
вательно, элемент «пустой» только с точки зре-
ния механики. в процессе заполнения, который
рассматривается как процесс, развивающийся во
времени, «пустые» элементы КЭ-сетки будут за-
полняться расплавом наплавляемого материала.
в расчетах учитывается тот факт, что в процессе
заполнения элементов (наплавки) деформируется
вся КЭ-сетка, как покрывающая деталь, так и «пу-
стые» элементы.
пусть в момент заполнения t* некоторый пу-
стой элемент сетки *( )V t∆ , примыкающий к по-
верхности наращивания, имеет деформацию
*
ijε и
пусть он заполняется расплавом материала, имею-
щим температуру θ*, и, который в момент запол-
нения является ненапряженным. тогда в наплавля-
емом элементе:
0, , , ,ij i j x y zσ = =
при t = t*. (6)
Условие (6) в терминах определяющих уравне-
ний ( , )ij ij klσ = σ ε θ можно записать в виде:
* *( , ) 0ij klσ ε θ =
в элементе сетки
*( ) , , , , , .V t i j k l x y z∆ ↔
(7)рис. 1. схемы моделей многослойной наплавки: а — повали-
ковая послойная (цифрами указаны номера валиков в порядке
их наложения в каждом слое); б — одномоментная послойная
3 аддитивные технологии
1 3 7 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
равенство (7) указывает на отсутствие напря-
жений (условие (6)) в наплавляемом элементе ∆V,
который имеет начальную деформацию *
ijε при
температуре заполнения θ*.
предполагается, что неупругая деформация на-
плавленного металла в момент времени t* запол-
нения элемента сетки отсутствует:
*( ) 0p
ij tε =
в элементе сетки
*( ).V t∆
(8)
Для того, чтобы были выполнены условия (2)
и (3), необходимо при t > t* модифицировать урав-
нение закона гука для изотропного материала (4)
следующим образом:
*
* *
2 ( ),
2 ( 3 ( ),
p
ij f ij ij ij
kk f kk kk f
s G e e
K
= − ε −
σ = ε − ε − α θ − θ
(9)
а в уравнениях (2) и (3) принять:
0 0( ) 0, ( ) 0, ( ) ( ).p
ij ft K t K t K∗ ∗ ∗ ∗ε = = = θ
(10)
здесь нижний индекс f показывает, что параме-
тры относятся к материалу наплавленного слоя.
таким образом, чтобы выполнить условие (6)
в приповерхностном наращиваемом слое для всех
элементов наплавляемого материала определя-
ющие уравнения (1)–(4) индивидуализируются
теми конкретными значениями деформации *
ijε и
температуры θ*, при которых происходило их за-
полнение в момент времени t = t*.
в качестве примера рассмотрим спиральную
наплавку боковой поверхности цилиндра. в ме-
ридиональном сечении схема заполнения наплав-
ленного слоя отдельными валиками (см. рис. 1, а)
приведена на рис. 2.
пусть началу наплавки N-го валика отвечает
момент времени t = tN. процесс реализуется в та-
кой последовательности:
1. в интервале времени ( , )N N Qt t t+ , где tQ —
эффективное время работы источника, происхо-
дит одновременно разогрев: (а) «пустой» области
3 равномерно распределенным объемным источ-
ником тепла мощностью QK (индекс K — наплав-
ка); (б) примыкающей области 4 сварочной дугой,
являющейся объемным источником тепла мощно-
стью QL (индекс L — дуга).
2. в момент t = tN + tQ оба источника отключа-
ются, и происходит «заполнение» области 3, под
которым понимается замена в этой области «пу-
стого» материала со свойствами (1) материалом,
описываемым системой уравнений (1)–(4) с уче-
том модификации (9) и (10), где *
ijε и θ* — дефор-
мации и температуры в узловых точках области 3
в момент заполнения.
3. в интервале времени 1( , )N Q Nt t
+ + происхо-
дит остывание за счет теплопроводности вглубь
детали и теплообмена с окружаемой средой.
4. в момент 1Nt t
+
= подсоединяется но-
вый механически «пустой» элемент и процесс
повторяется.
тепло, поступающее в тело при наплавке,
определяется соотношением:
1( ) ,ET E Y Y
Q IU t Q Q= η η + η ∆ = +
(11)
где ηТ — эффективный коэффициент мощности;
E
η
— эффективный к. п. д. нагрева детали дугой;
Y
η
— эффективный к. п. д. нагрева каплями элек-
тродного металла; E
Q
и Y
Q
— теплоты, соответ-
ственно, передаваемая телу детали дугой и посту-
пающая в электрод:
1 1, ,T TE E Y Y
Q IU t Q IU t= η η ∆ = η η ∆
(12)
где ∆t1 — время наплавки ряда валиков, которое
определено исходя из геометрических размеров
наплавляемой поверхности и скорости наплавки.
соответствующие объемные мощности тепло-
вых источников вычисляются по формулам:
, ,E Y
E Y
Q QE Y
Q Q
Q QV t V t= =
(13)
где
E
V
— объем области, в которой действует
источник тепла, получаемый вращением плоской
фигуры 4 или 3 меридионального сечения вокруг
оси детали; Y
V
— объем области, получаемый вра-
щением фигуры 3 (см. рис. 2), tQ — эффективное
время работы теплового источника.
Для схемы заполнения (см. рис. 2) приняты
следующие значения набора геометрических па-
раметров: δ1 = 10–3 м, δ2 = 0,5·10–3 м, а параметры
рис. 2. схема заполнения (наплавки) N-го валика: 1 — де-
таль; 2 — ранее наплавленный (N–1)-ый валик; 3 — область,
отвечающая следующему N-ному валику и подлежащая за-
полнению (до заполнения — «пустая» область); 4 — нагрева-
емые сварочной дугой области приповерхностного объема в
детали и ранее наплавленном валике; δ1 — ширина нагрева-
емой области в материале валика N–1 при выполнении N-го
валика; δ2 — ширина нагреваемой области в основном ме-
талле при выполнении N-го валика; штрих-пунктирная линия
— ось детали
3 аддитивные технологии
1 3 8 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
a и b определялись по ширине и высоте валика.
значения δ1, δ2 и tQ выбирались с помощью чис-
ленного эксперимента из условия приблизитель-
ного равенства температур в объемах E
V
и Y
V
в
момент заполнения области валика 3 расплавлен-
ным материалом.
приняты следующие значения приведенных
величин при определении тепловложения [8]:
0,6; 0,8; 0,2.T E Y
η = η = η =
расчеты проводи-
лись с использованием физико-механических ха-
рактеристик соответствующих материалов. Кра-
евая задача термомеханики решалась методом
конечных элементов. подробное описание чис-
ленной методики дано в работах [10–12].
приведем сравнение результатов расчетов
остаточного напряженно-деформированного со-
стояния, полученных в рамках схем постепенного
и одновременного наращивания (см. рис. 1, а, б).
в качестве примера рассматривается цилиндр из
стали 35хм, наращиваемый двумя слоями хромо-
никелевой стали 10х18н10 с аустенитно-ферритной
структурой. Цилиндр имеет диаметр D = 0,126 м и
длину L = 0,250 м. толщины первого и второго слоев
одинаковы и равны 2,3 мм. наплавка ведется с пред-
варительным подогревом θ = 300 °C.
в схеме постепенного наращивания для сокра-
щения объема вычислений наносится по 10 ва-
ликов в каждом слое. расчеты показали, что кон-
цевые эффекты локализованы в зонах первых и
последних трех валиков. следовательно, в обла-
сти между третьим и седьмым валиками имеет
место остаточное напряженно-деформированное
состояние, которое можно ассоциировать с обла-
стью регулярного состояния основной части пол-
ностью наращенного цилиндра.
в качестве характеристик напряженно-дефор-
мированного состояния используются интенсив-
ность девиатора тензора напряжений
1/2
2 ,is J=
интенсивность неупругих деформаций
( )p p p
i ij ije eε =
и среднее нормальное напряжение
0 ( ) / 3rr zz ϕϕ
σ = σ + σ + σ .
интенсивность si отвечает за неупругие про-
цессы и разрушение по вязкому механизму. сред-
нее напряжение обобщенно идентифицирует со-
стояние растяжения (σ0 > 0) или сжатия.
на рис. 3 и 4 показаны распределения харак-
теристик нДс вдоль линии Oz при r = 0,064 м
(половина толщины первого слоя). здесь и ниже
сплошные линии отвечают схеме повалико-
вой, а штриховые — одномоментной послойной
наплавки.
распределения вдоль срединной линии r =
= 0,064 м остаточных напряжений и деформаций,
которые сформировались во втором наращенном
слое после его остывания до 20 °C, представлены
сплошными линиями на рис. 5 и 6.
анализ представленных результатов позволяет
сделать следующие выводы:
1. схема одномоментного послойного нара-
щивания не позволяет учесть неоднородной яче-
истой структуры распределений, а описывает
плавное усредненное изменение характеристик
напряжений и деформаций вдоль наплавляемого
цилиндра.
рис. 3. интенсивность напряжений si (кривая 1) и среднее на-
пряжение σ0 (кривая 2) в первом наплавленном слое после
наплавки второго слоя
рис. 4. интенсивность остаточных неупругих деформаций в
первом наплавленном слое после наплавки второго слоя
рис. 5. интенсивность напряжений si (кривая 1) и среднее на-
пряжение σ0 (кривая 2) во втором наплавленном слое
3 аддитивные технологии
1 3 9 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
2. схеме одномоментного послойного наращи-
вания отвечают более протяженные зоны конце-
вых возмущений напряженно-деформированного
состояния.
3. в области регулярного распределения ха-
рактеристик нДс результаты расчетов по одно-
моментной послойной схеме удовлетворительно
согласуются с результатами, полученными на ос-
нове схемы поваликовой наплавки. в силу этого
обстоятельства при упрощенных расчетах можно
использовать мгновенную послойную схему.
результаты численного моделирования сравни-
ваются с экспериментальными данными. измере-
ния проводились с помощью метода сверления от-
верстий (The hole-drilling method) [13, 14].
исследование проводилось на шестом вали-
ке при двухслойной поваликовой наплавке слоев.
соответствующий фрагмент наращенного слоя
показан на рис. 7. Для измерения остаточных на-
пряжений в центре валика, расположенного в се-
чении z = 0,0304 м, сверлилось отверстие диаме-
тром 1,6 мм на глубину ∆r = 2,2 мм. ось отверстия
обозначена вертикальной штрих-пунктирной ли-
нией. линия А–А показывает глубину отверстия.
на рис. 8 сплошными линиями показаны рас-
четные осевые распределения компонент σzz (кри-
вая 1) и σφφ (кривая 2) в сечении А–А. треуголь-
никами обозначены экспериментальные значения
максимального и минимального главных напря-
жений σmin и φmax. видно, что в пределах валика
компоненты напряжения изменяются весьма су-
щественно. однако в рассматриваемом сечении
имеет место хорошее согласование данных.
сопоставление удобнее проводить с использо-
ванием радиальных распределений напряжений в
наращенном слое. согласно экспериментальной
методике измеренные напряжения соответствуют
и должны сравниваться со следующими расчетны-
ми величинами в данном сечении:
min min( ( ), ( )) ,zz r
r r
ϕϕ ∆
σ = σ σ
max max( ( ), ( )) .zz r
r r
ϕϕ ∆
σ = σ σ
здесь ( ) rf r ∆ обозначает усредненную по глу-
бине отверстия величину:
2 2
0 0
0
0
2( ) ( ) ,
( )
r
r r
f r f r rdr
r r r −∆
=
− − ∆ ∫
где r0 — наружный радиус наращенного ролика.
на рис. 9 сплошными линиями показаны рас-
четные распределения вдоль радиуса компонент
рис. 6. интенсивность остаточных неупругих деформаций p
iε
во втором наплавленном слое
рис. 7. схематический фрагмент наплавленных слоев.
Штрихпунктирная линия D–D — ось отверстия; штриховая
линия A–A — глубина отверстия; тонкие линии — КЭ-сетка
рис. 8. осевое напряжение (кривая 1) и окружное напряже-
ние (кривая 2) вдоль линии А–А на фрагменте наплавленных
слоев, приведенном на рис.7. треугольниками показаны экс-
периментальные значения
рис. 9. распределение остаточных осевых σzz (линия 1) и
окружных σφφ (линия 2) напряжений по толщине наплав-
ленного слоя в сечении z = 0,0304 м. пунктирные линии —
экспериментальные значения средних по толщине главных
напряжений в наплавленном слое; штриховые линии — рас-
четные значения этих величин
3 аддитивные технологии
1 4 0 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
напряжений σzz (кривая 1) и σφφ (кривая 2) в ис-
следуемом сечении.
Штриховыми линиями показаны эксперимен-
тальные, а пунктирными — расчетные значения
средних по глубине отверстия максимального и
минимального главных напряжений. видно, что
максимальное и минимальное главные напряже-
ния не связаны с какой-то одной компонентой.
так, на поверхности преобладает компонента σφφ,
а в более глубоких слоях максимальное значение
определяется компонентой σzz.
Выводы
1. на основе теории растущих тел и унифицирован-
ной модели течения разработана модель оценки тер-
момеханического состояния детали в процессе мно-
гослойной наплавки, а также конечно-элементная
методика численной реализации модели. Удовлетво-
рительное в целом согласование расчетных и экспе-
риментальных данных свидетельствует об обосно-
ванности и достоверности разработанного подхода к
моделированию термомеханических процессов при
многослойной наплавке.
2. на примере наплавки (наращивания) ци-
линдра по боковой поверхности установлено, что
схема одномоментного наращивания позволя-
ет достаточно быстро получить количественные
оценки уровня напряжений и деформаций при
анализе различных вариантов технологических
решений многослойной наплавки деталей. одна-
ко она не позволяет учесть существенную неодно-
родность и ячеистую структуру распределений, а
лишь описывает плавное усредненное изменение
характеристик напряжений и деформаций вдоль
цилиндра. она не позволяет также исследовать та-
кие тонкие технологические вопросы, как влияние
на напряженно-деформированное состояние дета-
ли различных схем перекрытия наплавляемых ва-
ликов. в этом случае рекомендуется использовать
методику расчета по схеме поваликового наращи-
вания (наплавки).
1. Балякин а. в. применение аддитивных технологий
для создания деталей камеры сгорания / а. в. Балякин,
в. г. смелов, л. а. чемпинский // авиационная и ракет-
но-космическая техника. вестник самарского государ-
ственного аэрокосмического университета. – 2012. – № 3
(34). – с. 47–51.
2. Marya S. Additive manufacturing, derivative of welding
and joining technology. A literature review / S. Marya, J. Y.
Hascoet, S. K. Panigrah [et. al.] // Документ IIW: DOC. XII-
2185-14; DOC. IV-1195-14.
3. смуров и. Ю. о внедрении аддитивных технологий и про-
изводства в отечественную промышленность / и. Ю. сму-
ров, с. г. Конов, Д. в. Котобан // новости материаловеде-
ния. наука и техника. - 2015. – № 2 (14). – с. 11–20.
4. Ковалев о. Б. Фундаментальные проблемы моделирова-
ния и диагностики процессов в лазерных технологиях
аддитивного производства объемных металлоизделий /
о. Б. Ковалев // сб. трудов XI всероссийского съезда по
фундаментальным проблемам теоретической и приклад-
ной механики, Казань, 20–24 августа 2015 года. с. 1836–
1838.
5. махненко в. и. тепловые процессы при механизирован-
ной наплавке деталей типа круговых цилиндров / в. и
махненко., т. г. Кравцов. – Киев: наукова Думка, 1976.
– 160 с.
6. махненко в. и. численное исследование термомехани-
ческих процессов при наплавке валов судовых механиз-
мов и устройств / в. и. махненко, т. г. Кравцов, в. в.
севрюков // автоматическая сварка. – 2001, № 1. – с.
7. арутюнян н. х. механика растущих вязкоупруго-пла-
стичных тел / н. х. арутюнян, а. Д. Дроздов, в. Э. нау-
мов. – м.: наука, 1987. – 471 с.
8. технология сварки, пайки и резки. Энциклопедия. т.III-4.
под редакцией Б. е. патона. – м.: машинострение, 2006.
– 768 с.
9. Bodner S. R. Unified plasticity – an engineering approach
(Final report), Faculty of Mechanical Engineering, Technion
– Israel Inst. of Techn. Haifa 32000, Israel – 2000. – 105 p.
10. рябцев и. а. теория и практика наплавочных работ / и.
а. рябцев, и. К. сенченков. – Киев: Экотехнология, 2013.
– 400 с.
11. рябцев и. а. наплавка, материалы, технологии, матема-
тическое моделирование / и. а рябцев, и. К сенченков.,
е. турык // гливице: изд-во силезского политехн. ин-та.
44 – 100. – 2015. – 590 с.
12. сенченков и. К. расчет остаточных напряжений при
многослойной спиральной наплавке цилиндрических де-
талей на основе теории наращивания вязкопластических
тел / и. К. сенченков, и. а. рябцев, е. турык, г. а. таби-
ева //сварочное производство. – 2005, № 9. – с. 18 – 25.
13. Standard test method for determining residual stresses by the
hole drilling strain-gage method. – ASTM Standard E 837.
14. Measurement of residual stresses by the holе drilling strain
gage method / Measurements Group Inc. Tech. Note, 1993.
– 19 p.
поступила в редакцию
Компания Ярдв й Групп КНР приглашает на работу тре ин енеров-сварщиков
Требования к кандидатам:
степень бакалавра или выше по специальностям: сварка, машиностроение,
электротехника и родственные специальности
мужчины, возраст 25–49 лет
базовое знание разговорного английского языка
интерес к китайской культуре, желание работать в КНР и других странах мира.
Сферы деятельности
Послепродажное обслуживание сварочного оборудования на предприятиях клиентов.
Модернизация су ествую его и разработка нового сварочного оборудования.
Приветствуется опыт работы в иностранных компаниях.
- . .
- . . .
|