Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании
С целью оптимизации процесса послойного формирования титановых конструкционных элементов авиакосмического назначения посредством современных электронно-лучевых технологий xBeam 3D Metal Printer (xBeam) был проведен комплекс исследований кинетики температурных полей и напряженно-деформированного сост...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2017
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148103 |
| 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: | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании / О.В. Махненко, А.С. Миленин, Е.А. Великоиваненко, Н.И. Пивторак, Д.В. Ковальчук // Автоматическая сварка. — 2017. — № 3 (762). — С. 11-19. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860238644678230016 |
|---|---|
| author | Махненко, О.В. Миленин, А.С. Великоиваненко, Е.А. Ковальчук, Д.В. |
| author_facet | Махненко, О.В. Миленин, А.С. Великоиваненко, Е.А. Ковальчук, Д.В. |
| citation_txt | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании / О.В. Махненко, А.С. Миленин, Е.А. Великоиваненко, Н.И. Пивторак, Д.В. Ковальчук // Автоматическая сварка. — 2017. — № 3 (762). — С. 11-19. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | С целью оптимизации процесса послойного формирования титановых конструкционных элементов авиакосмического назначения посредством современных электронно-лучевых технологий xBeam 3D Metal Printer (xBeam) был проведен комплекс исследований кинетики температурных полей и напряженно-деформированного состояния таврового профиля с помощью методов математического и компьютерного моделирования. На основе результатов исследований были показаны способы оптимизации температурных полей для обеспечения равномерного распределения по высоте и по длине изделия путём рационального выбора времени между проходами наплавки формирующих валиков и переменной мощности источника. Кроме того, показаны характерные поля напряжений и деформаций, формирующиеся в изделии в процессе его изготовления, а также возможности применения технологических приемов для снижения остаточного формоизменения.
З метою оптимізації процесу пошарового формування титанових конструкційних елементів авіакосмічного призначення за допомогою сучасних електронно-променевих технологій xBeam 3D Metal Printer (xBeam) було проведено комплекс досліджень кінетики температурних полів і напружено-деформованого стану таврового профілю за допомогою методів математичного та комп’ютерного моделювання. На основі результатів досліджень було показано способи оптимізації температурних полів для забезпечення рівномірного по висоті та по довжині виробу розподілу шляхом раціонального вибору часу між проходами наплавлення формуючих валиків і змінної потужності джерела. Крім того, показані характерні поля напружень та деформацій, що формуються у виробі в процесі його виготовлення, а також можливості використання технологічних заходів для зниження залишкової формозміни.
A set of investigations on kinetics of temperature fields and stress-strain state of a tee section was carried out employing mathematical and computer modelling methods in order to optimize a process of layer-by-layer forming of titanium structural elements of aerospace designation by means of current xBeam 3D Metal Printer (xBeam) electron beam technologies. The results of investigations were used for temperature fields optimizing in order to provide uniform distribution on height and length of the product by selection of efficient time between deposition passes of forming beads and source alternating power. Besides, typical stress and strain fields, formed in the product during its manufacture, were shown as well as possibilities of application of processing methods for reduction of residual forming.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:27:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
11 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
УДК 621.791.92
МоДелирование теМператУрных полей
и напряженно-ДефорМированного состояния
Малого трехМерного образца
при его послойноМ форМировании*
О. В. МАХНЕНКО1, А. С. МИЛЕНИН1, Е. А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО1,
Н. И. ПИВТОРАК1, Д. В. КОВАЛЬЧУК2
1иЄс им. е. о. патона нан Украины.
03680, г. Киев-150, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
2Чао «нпо «Червона хвиля». 03680, г. Киев, ул. Казимира Малевича, 15. E-mail: master@chervonahvilya.com
с целью оптимизации процесса послойного формирования титановых конструкционных элементов авиакосмического
назначения посредством современных электронно-лучевых технологий xBeam 3D Metal Printer (xBeam) был проведен
комплекс исследований кинетики температурных полей и напряженно-деформированного состояния таврового профи-
ля с помощью методов математического и компьютерного моделирования. на основе результатов исследований были
показаны способы оптимизации температурных полей для обеспечения равномерного распределения по высоте и по
длине изделия путём рационального выбора времени между проходами наплавки формирующих валиков и переменной
мощности источника. Кроме того, показаны характерные поля напряжений и деформаций, формирующиеся в изделии
в процессе его изготовления, а также возможности применения технологических приемов для снижения остаточного
формоизменения. библиогр. 26, табл. 2, рис. 13.
К л ю ч е в ы е с л о в а : послойное формирование, электронный луч, температурное поле, напряжённо-деформирован-
ное состояние, оптимизация, математическое моделирование
в настоящее время аддитивные технологии в
производстве титановых конструкционных эле-
ментов со сложной геометрией являются пер-
спективной альтернативой традиционному про-
изводству, в первую очередь для авиакосмической
промышленности и медицины [1–9]. Это обуслов-
лено тем, что стоимость переплава отходов из ти-
тановых сплавов в результате механической обра-
ботки средних и крупных деталей зачастую выше,
чем затраты при послойном формировании такого
типа объектов, а для малоразмерных деталей по-
вышается оперативность изготовления единичных
экземпляров по индивидуальным заказам.
существует несколько различных подходов по-
лучения металлических конструкций на основе
принципа послойного формирования объекта. Эти
подходы отличаются по типам расходных материа-
лов и используемым источникам нагрева. по типам
используемых расходных материалов эти подходы
можно разделить на две основные группы: спека-
ние или сплавление металлических порошков [1, 2,
5–10] и наплавка с подачей расходных материалов
(присадочных проволок и т.п.) [1, 4, 11–13].
Методы, использующие порошковые расход-
ные материалы, позволяют получать сложные гео-
метрические объекты с очень высокой точностью
выполнения, в частности, для получения трехмер-
ных пористых конструкций [1–3, 5–8, 10, 14–17].
такого типа конструкции с успехом используются
в медицине в качестве имплантатов [7, 9, 13, 18].
при этом скорость нанесения крайне низка, что
ограничивает использование данных технологий
для средне- и крупногабаритных конструкций.
скорость нанесения, при использовании тех-
нологий на основе присадочных проволок, значи-
тельно выше, в большинстве случаев на порядок.
Кроме того, в таких подходах эффективность ис-
пользования расходных материалов также суще-
ственно выше и может достигать 100 % [1].
в качестве источников нагрева в подходах, ис-
пользующих присадочные проволоки, выступают
лазер, электронный луч или электрическая дуга.
подходы на основе лазерных технологий наибо-
лее популярны в настоящее время из-за их точно-
сти [1, 4, 12, 19], тем не менее, их энергетическая
эффективность мала (2...5 %) [1, 4]. Электрон-
но-лучевая наплавка отличается большим КпД,
но требует высокого вакуума. Как показывают ре-
зультаты исследований структуры металла, элек-
тронно-лучевая наплавка позволяет получать де-
тали сложной формы с однородной структурой
металла наплавленных слоев, аналогичной струк-
© о. в. Махненко, а. с. Миленин, е. а. великоиваненко, н. и. пивторак, Д. в. Ковальчук, 2017
* по материалам доклада, представленного на VIII Международной конференции «Математическое моделирование и инфор-
мационные технологии в сварке и родственных процессах», 19–23 сентября 2016 г., одесса, Украина.
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
- АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
туре основного материала (подложки) [20]. по
этой причине данная методика наиболее перспек-
тивна в авиакосмической промышленности [3, 4].
основным недостатком подходов, использу-
ющих наплавку металлической проволокой, яв-
ляется возникновение значительных остаточных
напряжений и деформаций [13]. высокие оста-
точные напряжения могут существенно снижать
эксплуатационные характеристики полученных
компонентов, особенно их долговечность при
циклических нагрузках, а остаточные деформа-
ции могут приводить к недопустимому искаже-
нию формы и отбраковке заготовок деталей.
оптимизация аддитивных технологий наплав-
ки на основе применения математического мо-
делирования с целью снижения объема экспери-
ментальных исследований требует значительных
компьютерных и временных затрат [11, 15]. тем
не менее, выбор оптимальных параметров наплав-
ки на основе компьютерного прогнозирования яв-
ляется наиболее перспективным.
Технологическая схема процесса многослой-
ного формирования трехмерных образцов. техно-
логическая схема xBeam на примере многослойного
формирования таврового профиля (рис. 1) представ-
лена на рис. 2. процесс проходит в условиях сред-
него вакуума (в диапазоне 10–² мбар), что, с одной
стороны, позволяет избежать загрязнения металла в
силу высокого сродства с кислородом и/или азотом,
а с другой стороны обеспечивает достаточную фо-
кусировку электронного луча. подложка формируе-
мого изделия (в рассматриваемом случае это полка
таврового профиля) помещается в силовую оснаст-
ку, которая прижимает ее к подвижной платформе
усилием F, перемещает относительно неподвиж-
ного источника нагрева с заданной скоростью Vs в
плоскости пластины и периодически, по мере на-
плавления каждого валика, в перпендикулярном на-
правлении со скоростью Vd.
источник нагрева представляет собой состав-
ной комплекс систем генерирования электрон-
ного луча в форме полого конуса, сходящегося
максимально близко к поверхности формируе-
мой конструкции и подачи присадочной проволо-
ки (рис. 3, а). Это позволяет реализовать эффек-
тивное и достаточно равномерное расплавление
присадочной проволоки без существенного ее пе-
регрева, а также создавать ванну расплава на под-
ложке или нанесенном ранее слое для быстрого
растекания жидкого присадочного материала по
поверхности. Экспериментально определенное
распределение потока энергии в таком электрон-
ном луче представлено на рис. 3, б.
согласно лабораторным исследованиям, изде-
лие в результате послойной наплавки получило
рис. 1. внешний вид (а) и схема (б) таврового профиля из
титанового сплава, получаемого путем электронно-лучевого
многослойного формирования
рис. 2. технологическая схема процесса электронно-лучевого
многослойного формирования образцов таврового сечения:
1 — формируемое изделие; 2 — модуль нагрева и подачи про-
волоки; 3 — технологическая оснастка
рис. 3. схема модуля электронно-лучевого нагрева (а) и экс-
периментально определенное распределение потока энергии
в электронном луче (б)
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
13 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
определенную остаточную изгибную деформа-
цию в результате образования сварочной усадки
металла в области наплавки. Кроме того, как по-
казали предварительные эксперименты, торцевые
области характеризуются нерегулярной структу-
рой стенки профиля в результате неравномерно-
сти нагрева при наплавке. одним из преимуществ
используемой схемы xBeam является возможность
программного контроля тепловложения, что дает
широкие возможности оптимизации технологи-
ческих параметров рассматриваемого процесса.
также эффективным параметром оптимизации
является варьирование времени задержки меж-
ду наплавкой каждого из валиков и рациональ-
ный выбор способа и степени предварительного
подогрева.
Методика исследований. с целью предва-
рительного анализа кинетики состояния образца
таврового профиля из титанового сплава был ис-
пользован программный пакет WeldPrediction, раз-
работанный в иЭс им. е. о. патона нан Укра-
ины для прогнозирования физико-механических
процессов в сварке и родственных технологиях
[21–23]. решение задач теплопроводности, напря-
женно-деформированного состояния металла в
процессе предварительного подогрева, последую-
щей наплавки вплоть до остывания изделия и сня-
тия технологической оснастки производилось на
совместных прямоугольных сетках разбиения. на
каждом этапе наплавки менялась форма изделия в
соответствии со скоростью наплавки и геометри-
ей формирующихся при этом валиков. целесоо-
бразным является решение задач нестационарной
термопластичности производить в двухмерной
постановке путем усреднения трехмерного рас-
четного поля температур по толщине. Это позво-
ляет не только изучить развитие состояния иссле-
дуемого изделия с достаточной точностью, но и
снизить ресурсоемкость исследований.
так, для численного анализа кинетики темпе-
ратурного поля Т(x, y, z) от времени t при xBeam
наплавке изделия, показанного на рис. 1, исполь-
зовалось конечно-разностное решение трехмерно-
го нестационарного уравнения теплопроводности:
[ ]( ) ( ) ,Tc T T Tt
∂γ = ∇ λ ∇∂
(1)
где cg, l — удельная теплоемкость и теплопрово-
дность материала, соответственно.
граничные условия, необходимые для решения
задачи (1), зависят от теплоотвода с поверхности
изделия. так, в области контакта с технологиче-
ской оснасткой теплоотдача может быть описана
законом ньютона, тогда как на свободной поверх-
ности характеризуется тепловым излучением (за-
кон стефана–больцмана) с дополнительным вло-
жением энергии с наплавляемого торца изделия в
случае расположения там источника нагрева. та-
ким образом, граничные условия для решения за-
дачи теплопроводности в рассматриваемом случае
имеют вид:
( ),
( ) 4 4( ) ,
â îáëàñòè êîíòàêòà ñ îñíàñòêîé
íà ñâîáîäíûõ ïîâåðõíîñòÿõ,
T TT C
T
T
n T T qSF C
α −
∂
−λ =
∂ εσ − −
(2)
где п — нормаль к поверхности; aТ — коэффици-
ент теплоотдачи; ТС — температура окружающей
среды; e — степень черноты материала; sSF —
константа стефана–больцмана; q — поток энер-
гии электронно-лучевого нагрева.
связь между компонентами тензоров напряже-
ний и деформаций может быть сформулирована
на основе обобщенного закона гука с учетом тем-
пературных объемных изменений и ассоциирован-
ного закона пластического течения [24, 25]:
( ) ( ), , ,
( ) ( )
1
( (
2
,
) )
K bm mij ij ij ij ijT
b Km m
i j
ij ij ijG
x y z
∆ε = ψ σ − δ σ + δ σ + ∆ε −
∗ ∗= σ − δ σ + σ
=
(3)
где (1 2 ) /K E= − ν ; E — модуль Юнга; ν — коэф-
фициент пуассона; ( )/ (2 1 )G E= + ν ; ΔεТ — прира-
щение деформаций, обусловленное термическим
расширением металла; ψ — функция состояния
материала, определяемая условием текучести, а
именно
1 , ( ),2
1 , ( ),2
åñëè
åñëè
i T
i T
TG
TG
Ψ = σ < σ
Ψ > σ = σ
(4)
где
2 2
2 2 2 2
( ) ( )1 .
2 ( ) 6( )
xx yy xx zz
i
yy zz xy xz yz
σ − σ + σ − σ +
σ =
+ σ − σ + σ + σ + σ
пластические деформации определяются из
уравнения
, ( , ,
1
( ))
2
, .imij ij j x y zijG
∆ε = ψ − σ − σ =δ
(5)
реализация условий (4) производится на каждом
шаге прослеживания, при этом на каждой итерации
по ψ напряжения sij представляются из (5) в виде
1 ;
( )
,
ij ij ij ij
T
ij ij ij
ij
K JK
b b K K
J
∗
ψ − σ = ∆ε + δ ∆ε + ψ ∆ε
− δ + δ σ −
= ψ
(6)
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
14 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
где
, .3 3
xx yy zz xx yy zzb b b
b
∆ε + ∆ε + ∆ε + +
∆ε = =
связь между тензором Deij и вектором прира-
щений перемещений ΔUi представляется в виде
, , ,2
i j j i
ij
U U∆ + ∆
∆ε =
(7)
где запятая соответствует дифференцированию.
разрешающая система алгебраических уравне-
ний относительно вектора приращений перемеще-
ний в узлах конечных элементов на каждом шаге
прослеживания и итерации по ψ определяется в
результате минимизации функционала (вариаци-
онный принцип лагранжа)
, ,
, ,
1 ( ) ,2Ý
P
m n r
1 ij ij ij m n r i i P
V S
= J V P U S− σ + ∆ε + ∆ ∆∑ ∑
(8)
где ,
PV S
∑ ∑ — оператор суммы по внутренним и
поверхностным конечным элементам, соответ-
ственно; Pi — силовой вектор внешнего воздей-
ствия (i = x, y, z).
таким образом, система уравнений, которая
позволяет получить решение относительно прира-
щений вектора перемещений на каждом шаге про-
слеживания и итерации по ψ для соответствующе-
го конечного элемента, имеет вид:
, ,
, ,
, ,
0;
0;
0.
Ý
Ý
Ý
1
m n r
1
m n r
1
m n r
U
V
W
∂
=∂∆
∂ =∂∆
∂ =∂∆
(9)
решение указанных задач нестационарной тер-
мопластичности согласно приведенному мате-
матическому описанию проводилось путем чис-
ленного прослеживания упругопластических
деформаций, начиная с этапа предварительного
подогрева подложки, наплавки каждого валика
вплоть до полного остывания изделия и снятия
технологической оснастки, в рамках соответству-
ющего конечно-элементного описания [26].
Результаты моделирования. рассматрива-
емый технологический процесс моделировался
на основе результатов лабораторных исследова-
ний по наплавке таврового изделия из титанового
сплава (рис. 1). основные параметры данного тех-
нологического цикла приведены в табл. 1.
в результате решения температурной задачи
(рис. 4) показано, что температурные поля для
рассматриваемого случая имеют трехмерный ха-
рактер, при этом в наплавляемой тонкой стенке
таврового профиля температура распределена до-
статочно равномерно в поперечном сечении, а со-
стояние полки характеризуется относительно не-
высокими температурами градиентами.
одной из основных задач, которая рассматрива-
лась на данном этапе исследований, было изучение
потенциальных возможностей достижения стацио-
нарного температурного поля в изделии при наплав-
ке каждого из слоев. Это позволит получить благо-
приятные условия формирования валиков, а также
обеспечить равномерность структурного состояния
металла по всему сечению изделия, и, соответствен-
но, гомогенность его физико-механических и экс-
плуатационных свойств. Как показывают результа-
ты численного моделирования согласно изложенной
выше методике, при наплавке валиков не наблюдает-
ся значительного перегрева жидкого металла после
того, как он попадает на поверхность формируемо-
го изделия, что свидетельствует об эффективном от-
воде тепла в металл изделия и окружающую среду.
Это позволяет получать достаточный прогрев метал-
ла для обеспечения сплавления валиков и избежать
перегрева и чрезмерной текучести жидкого металла.
характерной особенностью распределения мак-
симальных температур в области наплавлки явля-
ется локально более низкие температуры в начале
валика и небольшой перегрев в конце. Это может
быть компенсировано, в частности, переменной по
длине мощностью электронно-лучевого источника
нагрева. Для примера было рассмотрено три режи-
ма наплавки валиков (табл. 2): базовый режим (1) и
Т а б л и ц а 1 . Технологические параметры процесса многослойного формирования лабораторного образца из тита-
нового сплава (рабочий газ — гелий)
параметр значение примечания
расходный материал (пруток) Диаметр 1,6 мм титан марки вт1-0
подложка (плита) 8×30×70 мм титан марки вт1-0
вакуум 5∙10–1 па после начала подачи газа вакуум снизился до 1 па
Ускоряющее напряжение 15 кв -
ток электронного луча 300 ма -
Мощность электронного луча 4,5 квт -
скорость подачи расходного материала 14 мм/с -
скорость перемещения подложки по оси X 14 мм/с -
смещение по оси Y перед каждым новым циклом
наплавки 0,5 мм -
Количество наплавленных слоев 37 -
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
15 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
режимы избыточной мощности в начале наплавки
(2) и сниженной в конце (3).
выбранные режимы позволяют путем изменения
мощности источника на относительно небольших
отрезках наплавляемого валика компенсировать из-
быточный отвод тепла в неразогретое изделие в на-
чале наплавки и избыточное накопление тепла возле
конечной части кромки, и достичь более равномер-
ного распределения максимальных температур (в
качестве примера на рис. 5 приведено расчетное рас-
пределение температур при наплавке десятого вали-
ка). Дальнейшее увеличение мощности на началь-
ном этапе формирования стенки таврового профиля
(более 160 %) нецелесообразно, так как вызовет ло-
кальный перегрев данной области конструкции.
Кроме обеспечения однородности структур-
ного состояния металла вдоль направления на-
плавки валиков важным является поддержание
максимально приближенного к стационарному
температурного режима наплавки каждого из сло-
ев стенки рассматриваемого профиля для одно-
родности металла по высоте. Как показывают
результаты расчетов (рис. 6), на примере темпе-
ратуры, усредненной по площади валика через
2,7·10–3 с после его наплавки в центральной части
изделия таврового профиля, стационарный режим
имеет место после восьмого валика.
рис. 4. Конечно-элементная модель (а) и распределение температур в тавровом образце в процессе послойного формирования:
б — наплавка 1-го валика; в — наплавка 12-го валика; г — наплавка 37-го валика и схема модели распределенного источника
нагрева
Т а б л и ц а 2 . Модельные режимы наплавки валиков в
процессе формировании изделия таврового профиля при
переменной мощности электронно-лучевого источника
нагрева
номер
режима
Мощность источника на различных участках
наплавляемого элемента, квт (%)
0...2 мм 2...68 мм 68...70 мм
1 4,5 (100) 4,5 (100) 4,5 (100)
2 6,3 (140) 4,5 (100) 4,3 (95)
3 7,2 (160) 4,5 (100) 4,3 (95)
рис. 5. распределение максимальных температур по всей
длине наплавленного валика для различных режимов тепло-
вого воздействия источника (режимы 1–3 согласно табл. 2)
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
16 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
еще одним важным фактором, который необхо-
димо учитывать при выборе рациональных пара-
метров наплавки рассматриваемого образца, явля-
ется время задержки tr между наплавкой каждого
из валиков. с одной стороны, увеличение времени
задержки позволяет более равномерно перерас-
пределять тепло от каждого из валиков наплавки,
с другой, уменьшение tr ведет к снижению энер-
гоемкости рассматриваемого процесса и меньше-
му накоплению профилем тепловой энергии. на
рис. 7 показано влияние величины tr на величину
установившейся температуры в центральной части
изделия. из приведенных данных можно сделать
вывод о том, что при tr < 25 с наблюдается перегрев
наплавляемой кромки изделия вплоть до переплава
предыдущего наплавленного слоя. при tr > 40 с ста-
ционарный режим является более благоприятным с
точки зрения качества формируемого элемента, но
при этом на начальном этапе наплавки может быть
несплавление слоев металла между собой в резуль-
тате интенсивного отвода тепла в конструкцию. по-
этому диапазон 25 с < tr < 35 с можно считать ра-
циональным при выборе регулярной задержки
наплавки каждого из валиков по всей высоте на-
плавляемого элемента.
остаточное формоизменение и внутренние на-
пряжения в сформированном изделии могут яв-
ляться факторами, ограничивающими примене-
ние рассматриваемой технологии. необратимые
деформации подложки рассматриваемого элемен-
та таврового профиля в результате продольной
усадки могут превышать допуски, предписанные
конкретными конструктивными решениями, тог-
да как высокие остаточные напряжения снижают
сопротивляемость к усталостному воздействию
и повышают склонность к стресс-коррозионно-
му разрушению. наиболее часто для улучшения
эксплуатационных характеристик конструкций, в
частности, сварных, используют термомеханиче-
скую обработку. но дополнительный технологиче-
ский этап обработки изделий влечет повышение се-
бестоимости производства, поэтому рациональным
является оптимизация процесса xBeam с учетом
особенностей кинетики напряженно-деформиро-
ванного состояния конструкции конкретной геоме-
трии. так, для рассматриваемого изделия таврового
профиля характерным и наиболее неблагоприят-
ным является остаточное деформирование по ме-
ханизму продольной усадки, в результате чего вся
конструкция получает изгиб в продольной плоско-
сти (рис. 8). ввиду относительно небольшой дли-
ны данного элемента его остаточное формоизмене-
ние невелико (около 0,2 мм), но при необходимости
увеличения длины конструкции остаточный про-
гиб может выходить за пределы требуемых допу-
сков (рис. 9).
напряженное состояние в плоскости изде-
лия (рис. 10) характеризуется относительно не-
высоким уровнем остаточных напряжений как
в продольном направлении, так и в поперечном.
характерной особенностью является некоторая
концентрация напряжений σyy в результате кон-
рис. 6. зависимость пространственно-усредненной по пло-
щади валика максимальной температуры наплавленного ме-
талла в центральном сечении профиля от порядкового номера
валика
рис. 7. распределение максимальных температур по высоте
профиля при наплавке 37-го валика для различного времени
задержки между валиками: 1 — tr = 20 с; 2 — 30; 3 — 40
рис. 8. остаточное формоизменение нижней плоскости под-
ложки изделия таврового профиля после завершения Элн,
полного остывания и снятия силовой оснастки
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
17 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
цевых эффектов. Кроме того, в области перехода
полки тавра в стенку имеются повышенные растя-
гивающие продольные напряжения σхх, обуслов-
ленные общим изгибом конструкции.
Эффективным технологическим приемом сни-
жения остаточных деформаций сварных конструк-
ций является предварительный прогиб (выгиб),
который может реализовываться за счет силовой
оснастки. на рис. 11 представлены результаты рас-
чета прогиба продольной оси таврового наплавлен-
ного образца длиной L = 300 мм после послойного
формирования на изначально ровную подложку и с
учетом предварительного прогиба W0. видно, что
оптимальная величина предварительного прогиба
может существенно снижать остаточные деформа-
ции общего формоизменения.
рис. 10. распределение остаточных напряжений σхх (а) и σyy (б) в изделии после его формирования при режиме 1 (см. табл. 2)
рис. 11. форма продольной оси таврового наплавленно-
го образца L = 300 мм после послойного формирования на
изначально ровную подложку (сплошная кривая) и с уче-
том предварительного прогиба W0 = 1,5 мм (штриховая)
рис. 12. зависимость остаточного прогиба W наплавленно-
го образца L = 70 мм после снятия оснастки от температуры
предварительного подогрева T0
рис. 9. зависимость остаточного прогиба таврового профиля
W от его длины L после снятия оснастки
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
18 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
результаты оценки влияния предварительно-
го подогрева подложки на остаточные деформа-
ции таврового образца длиной 70 мм показаны на
рис. 12. величина остаточного прогиба при по-
догреве подложки от комнатной температуры до
700 °с практически не меняется (2 %), а остаточ-
ные напряжения в области перехода полки в стен-
ку существенно падают при увеличении темпера-
туры подогрева (рис. 13).
Выводы
1. разработан комплекс математических моделей и
программных средств их реализации для числен-
ного прогнозирования кинетики температурного
и напряженно-деформированного состояний кон-
струкции таврового профиля из титанового сплава
в процессе электронно-лучевой наплавки xBeam
3D Metal Printing. на основе базовых параметров
получения лабораторных образцов таврового про-
филя исследованы характерные особенности рас-
пределения температурного поля. показано, что
определенная стабилизация температурных ци-
клов по длине наплавляемой стенки может быть
достигнута путем задания переменной мощности
источника нагрева: до 160 % мощности на началь-
ном этапе с целью более существенного прогрева
кромки изделия и менее 95 % мощности на конеч-
ном этапе для компенсации процесса накопления
тепла в конце образца.
2. показано существенное влияние длительно-
сти задержки между наплавкой каждого из фор-
мирующих валиков на характер распределения
температуры: сокращение времени задержки ме-
нее 20 с приводит к существенному накоплению
тепла в металле изделия и, как результат, значи-
тельному перегреву и чрезмерному проплавле-
нию, что может снизить качество формируемого
изделия.
3. путем численного прогнозирования разви-
тия деформированного состояния изделия в про-
цессе наплавки, последующего остывания и сня-
тия усилий технологической оснастки показано
формирование остаточных продольных изгибных
деформаций на уровне 0,2 мм. при этом измене-
ние длины изделия существенно влияет на вели-
чину продольного изгиба, что может потребовать
соответствующей термомеханической правки. Эф-
фективным технологическим приемом снижения
остаточных деформаций является предваритель-
ный прогиб (выгиб), который может реализовы-
ваться за счет силовой оснастки.
4. на основе анализа результатов прогнозиро-
вания остаточного напряженного состояния рас-
сматриваемой модельной конструкции показано
формирование избыточных растягивающих про-
дольных напряжений в области перехода полки
таврового профиля в стенку, что вызвано общим
изгибом конструкции. Кроме того, в области ее
торцов формируются выраженные концентрато-
ры напряжений σyy. результаты оценки влияния
предварительного подогрева подложки на напря-
женно-деформированное состояние таврового
образца показали, что остаточные напряжения в
области перехода полки в стенку существенно па-
дают при увеличении температуры подогрева и
при T0 = 700 °с практически обеспечиваются ус-
ловия высокого отпуска.
рис. 13. распределение продольных остаточных напряжений σхх в изделии после его формирования при предварительном
подогреве подложки до T0 = 300 (а) и 700 °с (б)
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
19 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
Авторы выражают признательность Г. Ф.
Розынке и Д. С. Гаврилову за участие в подготов-
ке статьи.
1. Wire-feed additive manufacturing of metal components:
technologies, developments and future interests / Ding D.
et al. // International Journal of Advanced Manufacturing
Technology. – 2015. – 81(1). – P. 465–481.
2. Cellular titanium by selective electron beam melting / Heinl P.
et al. // Adv. Eng. Mater. – 2007. – № 9. – P. 360–364.
3. Kristofer Ek. Additive manufactured material // Master of
Science Thesis Stockholm. – 2014. – 88 р.
4. Additive manufactured Ti–6Al–4V using welding wire:
comparison of laser and arc beam deposition and evaluation
with respect to aerospace material specifications / Brandl E.
et al. // Physics Procedia. – 2010. – December. – P. 595–606.
5. Building new entities from existing titanium part by electron
beam melting: microstructures and mechanical properties
/ Mandil G. et al. // International Journal of Advanced
Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 85. – Iss. 5. –
P. 1835–1846.
6. Characterization of titanium aluminide alloy components
fabricated by additive manufacturing using electron beam
melting / Murr L. E. et al. // Acta Materialia. – 2010. –
Vol. 58. – Iss. 5. – P. 1887–1894.
7. Characterization of cellular solids in Ti6Al4V for orthopaedic
implant applications: Trabecular titanium / Marin E. et al.
// Mechanical Behaviour of Biomedical Materials. – 2010.
Vol. 3. – Iss. 5. – P. 373–381.
8. Preliminary fabrication of thin-wall structure of Ti6Al4V for
dental restoration by electron beam melting / Wahyudin P.
Syam et al. // Rapid Prototyping Journal. – 2012. – April. –
P. 230–240.
9. Assessment by X-ray CT of the effects of geometry and build
direction on defects in titanium ALM parts / Leonard F. et al.
// Conference on Industrial Computed Tomography (ICT). –
2012. – P. 85–93.
10. Atmospheric electron-beam surface alloying of titanium
with tantalum / Golkovski M. G. et al. // Materials Science &
Engineering A. – 2013. – Vol. 578. – P. 310–317.
11. Effect of interpass temperature on in-situ alloying and additive
manufacturing of titanium aluminides using gas tungsten arc
welding / Yan Ma et al. // Adv. Manufacturing. – 2015. – Vol. 8.
– P. 71–77.
12. A comparative study of additive manufacturing techniques:
Residual stress and microstructural analysis of CLAD and
WAAM printed Ti–6Al–4V components / Blanka A. Szost et
al.// Materials and Design. – 2015. – Vol. 89. – P. 559–567.
13. Additive manufacturing of Ti–6Al–4V components by
shaped metal deposition: Microstructure and mechanical
properties / Baurfeld B. et al. // Materials and Design. – 2010.
– Vol. 31. – P. 106–111.
14. Electron beam additive manufacturing of titanium
components: properties and performance / Edwards P. et al. //
Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2013.
– Vol. 135. – Iss. 6. – P. 061016/1–061016/7.
15. Powder-bed electron-beam-melting additive manufacturing:
powder characterization, process simulation and metrology /
Gong X. et al. // ASME Early Career Technical Journal. – 2013.
– № 12. – P. 59–66.
16. Recent Progress of Additive Manufactured Ti–6Al–4V by
Electron Beam Melting / Nai M. L. S. et al. // Proceedings
of the 27th Annual International Solid Freeform Fabrication
Symposium – An Additive Manufacturing Conference 2016.
– P. 691–704.
17. Additive manufacturing solutions for improved medical
implants / Petrovic V. et al. // Biomedicine, InTechOpen. –
2012. – March. – P. 147–180.
18. Electron beam melting fabrication of porous Ti6Al4V
scaffolds: cytocompatibility and osteogenesis / Jia Lv. et al.
// Adv. Eng. Mater. – 2015. – P. 1–8.
19. Evaluation of titanium alloys fabricated using rapid
prototyping technologies – electron beam melting and laser
beam melting / Mari Koike et al. // Materials. – 2011. – № 4.
– P. 1776–1792.
20. 3D электронно-лучевая наплавка титановых деталей /
с. в. ахонин и др. // автоматическая сварка. – 2016. –
№ 5–6 (753). – с. 141–144.
21. Махненко в. и. проблемы экспертизы современных
сварных конструкций ответственного назначения // там
же. – 2013. – № 5. – с. 22–29.
22. Махненко в. и., великоиваненко е. а., олейник о. и.
риск-анализ как средство формализации принятия реше-
ний о внеплановом ремонте сварных конструкций // там
же. – 2008. – № 5. – с. 5–10.
23. Міленін о. с. Імовірнісний аналіз стану магістральних
трубопроводів із виявленими дефектами та ресурс їх ек-
сплуатації після ремонту під тиском // вісник тернопіль-
ського національного технічного університету. спеціаль-
ний випуск. – 2011. – Ч. 1. – C. 73–81
24. Махненко в. и. расчетные методы исследования кинети-
ки сварочных напряжений и деформаций. – Киев: науко-
ва думка, 1976. – 320 с.
25. Махненко в. и. ресурс безопасной эксплуатации свар-
ных соединений и узлов современных конструкций. –
там же, 2006. – 618 с.
26. Методы и технологии параллельных вычислений для
математического моделирования напряженно-деформи-
рованного состояния конструкций с учетом вязкого раз-
рушения / е. а. великоиваненко и др. // проблемы управ-
ления и информатики. – 2014. – № 6. – с. 42–52.
Махненко о. в.1, Міленін о. с.1, великоіваненко о. а.1,
півторак н. І.1, Ковальчук Д. в.2
1Іез ім. Є. о. патона нан України.
03680, м. Київ-150, вул. Казимира Малевича, 11.
E-mail: office@paton.kiev.ua
2прат «нво «Червона хвиля».
03680, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 15.
E-mail: master@chervonahvilya.com
МоДелЮвання теМператУрних полІв
І напрУжено-ДефорМованого станУ
Малого тривиМІрного зразКа
при його поШаровоМУ форМУваннІ
з метою оптимізації процесу пошарового формування тита-
нових конструкційних елементів авіакосмічного призначення
за допомогою сучасних електронно-променевих технологій
xBeam 3D Metal Printer (xBeam) було проведено комплекс
досліджень кінетики температурних полів і напружено-де-
формованого стану таврового профілю за допомогою методів
математичного та комп’ютерного моделювання. на основі
результатів досліджень було показано способи оптимізації
температурних полів для забезпечення рівномірного по ви-
соті та по довжині виробу розподілу шляхом раціонального
вибору часу між проходами наплавлення формуючих валиків
і змінної потужності джерела. Крім того, показані характерні
поля напружень та деформацій, що формуються у виробі в
процесі його виготовлення, а також можливості використання
технологічних заходів для зниження залишкової формозміни.
бібліогр. 26, табл. 2, рис. 13.
Ключові слова: пошарове формування, електронний промінь,
температурне поле, напружено-деформований стан, оптимі-
зація, математичне моделювання.
поступила в редакцию 14.02.2017
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-148103 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:27:11Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махненко, О.В. Миленин, А.С. Великоиваненко, Е.А. Ковальчук, Д.В. 2019-02-17T08:40:06Z 2019-02-17T08:40:06Z 2017 Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании / О.В. Махненко, А.С. Миленин, Е.А. Великоиваненко, Н.И. Пивторак, Д.В. Ковальчук // Автоматическая сварка. — 2017. — № 3 (762). — С. 11-19. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. 0005-111X DOI:https://doi.org/10.15407/as2017.03.02 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148103 621.791.92 С целью оптимизации процесса послойного формирования титановых конструкционных элементов авиакосмического назначения посредством современных электронно-лучевых технологий xBeam 3D Metal Printer (xBeam) был проведен комплекс исследований кинетики температурных полей и напряженно-деформированного состояния таврового профиля с помощью методов математического и компьютерного моделирования. На основе результатов исследований были показаны способы оптимизации температурных полей для обеспечения равномерного распределения по высоте и по длине изделия путём рационального выбора времени между проходами наплавки формирующих валиков и переменной мощности источника. Кроме того, показаны характерные поля напряжений и деформаций, формирующиеся в изделии в процессе его изготовления, а также возможности применения технологических приемов для снижения остаточного формоизменения. З метою оптимізації процесу пошарового формування титанових конструкційних елементів авіакосмічного призначення за допомогою сучасних електронно-променевих технологій xBeam 3D Metal Printer (xBeam) було проведено комплекс досліджень кінетики температурних полів і напружено-деформованого стану таврового профілю за допомогою методів математичного та комп’ютерного моделювання. На основі результатів досліджень було показано способи оптимізації температурних полів для забезпечення рівномірного по висоті та по довжині виробу розподілу шляхом раціонального вибору часу між проходами наплавлення формуючих валиків і змінної потужності джерела. Крім того, показані характерні поля напружень та деформацій, що формуються у виробі в процесі його виготовлення, а також можливості використання технологічних заходів для зниження залишкової формозміни. A set of investigations on kinetics of temperature fields and stress-strain state of a tee section was carried out employing mathematical and computer modelling methods in order to optimize a process of layer-by-layer forming of titanium structural elements of aerospace designation by means of current xBeam 3D Metal Printer (xBeam) electron beam technologies. The results of investigations were used for temperature fields optimizing in order to provide uniform distribution on height and length of the product by selection of efficient time between deposition passes of forming beads and source alternating power. Besides, typical stress and strain fields, formed in the product during its manufacture, were shown as well as possibilities of application of processing methods for reduction of residual forming. По материалам доклада, представленного на VIII Международной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах», 19–23 сентября 2016 г., Одесса, Украина. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании Моделювання температурних полів і напружено -деформованого стану малоготривимірного зразка при його пошаровому формуванні Modelling of temperature fields and stress-strain state of small 3D sample in its layer-by-layer forming Article published earlier |
| spellingShingle | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании Махненко, О.В. Миленин, А.С. Великоиваненко, Е.А. Ковальчук, Д.В. Научно-технический раздел |
| title | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании |
| title_alt | Моделювання температурних полів і напружено -деформованого стану малоготривимірного зразка при його пошаровому формуванні Modelling of temperature fields and stress-strain state of small 3D sample in its layer-by-layer forming |
| title_full | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании |
| title_fullStr | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании |
| title_full_unstemmed | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании |
| title_short | Моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании |
| title_sort | моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148103 |
| work_keys_str_mv | AT mahnenkoov modelirovanietemperaturnyhpoleiinaprâžennodeformirovannogosostoâniâmalogotrehmernogoobrazcapriegoposloinomformirovanii AT mileninas modelirovanietemperaturnyhpoleiinaprâžennodeformirovannogosostoâniâmalogotrehmernogoobrazcapriegoposloinomformirovanii AT velikoivanenkoea modelirovanietemperaturnyhpoleiinaprâžennodeformirovannogosostoâniâmalogotrehmernogoobrazcapriegoposloinomformirovanii AT kovalʹčukdv modelirovanietemperaturnyhpoleiinaprâžennodeformirovannogosostoâniâmalogotrehmernogoobrazcapriegoposloinomformirovanii AT mahnenkoov modelûvannâtemperaturnihpolívínapruženodeformovanogostanumalogotrivimírnogozrazkapriiogopošarovomuformuvanní AT mileninas modelûvannâtemperaturnihpolívínapruženodeformovanogostanumalogotrivimírnogozrazkapriiogopošarovomuformuvanní AT velikoivanenkoea modelûvannâtemperaturnihpolívínapruženodeformovanogostanumalogotrivimírnogozrazkapriiogopošarovomuformuvanní AT kovalʹčukdv modelûvannâtemperaturnihpolívínapruženodeformovanogostanumalogotrivimírnogozrazkapriiogopošarovomuformuvanní AT mahnenkoov modellingoftemperaturefieldsandstressstrainstateofsmall3dsampleinitslayerbylayerforming AT mileninas modellingoftemperaturefieldsandstressstrainstateofsmall3dsampleinitslayerbylayerforming AT velikoivanenkoea modellingoftemperaturefieldsandstressstrainstateofsmall3dsampleinitslayerbylayerforming AT kovalʹčukdv modellingoftemperaturefieldsandstressstrainstateofsmall3dsampleinitslayerbylayerforming |