Моделирование нагрева и остаточных напряжений в титановом сплаве при обработке стальной дробью


Авторы

Пожидаев А. А., Строкач Е. А.*

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: evgenij.strokatsch@mai.ru

Аннотация

Современные методы численного моделирования широко применяются для изучения особенностей различных технологических процессов, в том числе пластического деформирования поверхности, однако часто пренебрегают учетом некоторых физических явлений, например, нагревом, или предварительными настройками модели. С целью определения влияния нагрева в области контакта на распределение остаточных напряжений при обработке образца из титанового сплава Ti6Al4V дробью из стали AISI 52100 было проведено моделирование методом конечных элементов в явной постановке. Свойства материалов задавались упругопластическими моделями Джонсона – Кука и уравнениями состояния Грюнейсена, а нормально падающая на поверхность закрепленного образца сферическая дробь диаметром 0,3 мм имела скорость от 10 до 40 м/с. Предварительно были проведены исследования сеточной сходимости и независимости результатов от количества частиц, показавшие, что достаточно 12 дробинок, размер элемента в области контакта должен быть не более 0,005 мм (1,7% диаметра дроби), а глубина деформированного слоя была одинакова для всех расчетов и составляла около 0,17 мм. Нагрев в приповерхностном слое достигал 15⁰С и незначительно влиял на распределение остаточных напряжений, имевших максимум в приближении 770 МПа на глубине 0,024 мм.

Ключевые слова:

моделирование остаточных напряжений, дробеударное упрочнение, модель Джонсона – Кука, сеточная сходимость, нагрев при пластической деформации

Библиографический список

  1. Tarodiya R., Levy A. Surface erosion due to particle- surface interactions: A review // Powder Technology. 2021. Vol. 387. P. 527–559. DOI: 10.1016/j.powtec.2021.04.055

  2. Fardan A., Berndt Christopher C., Ahmed R. Numer ical modelling of particle impact and residual stresses in cold sprayed coatings: A review. Surface and Coatings Technology. 2021. Vol. 409. Article number 126835. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.126835

  3. Кисёлев И.А., Жуков Н.А., Васильев Б.Е., Селиванов А.Н. Учет остаточных напряжений при расчетах прочности элементов замковых соединений. Часть 1. Моделирование дробеструйной обработки // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 11. C. 49–59. DOI: 10.18698/0536-1044- 2018-11-49-59

  4. Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А., Нгуен Минь Хоанг. Моделирование формирования основных показателей качества поверхностного слоя деталей при дробеударном упрочнении // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2022. № 3(75). С. 50–58. DOI: 10.26731/1813-9108.2022.3(75).50-58.

  5. Пашков А.Е., Пашков А.А., Самойленко О.В. Исследование начальных напряжений процесса обраотки дробью // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Но сова. 2022. Т. 20. № 4. C. 120–128. DOI:10.18503/1995-2732-2022-20-4-120-128

  6. Faucheux P. Simulating Shot Peen Forming with Eigenstrains. Ph.D. thesis. Polytechnique Montréal. PolyPublie, 2019. URL: https://publications.polymtl.ca/4189/ (дата обращения: 25.11.2023)

  7. Wu J., Chen K., Zhang P., Zhu J., Liu G., Wei P., Liu H. Effects of peening velocity and coverage on peen forming // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. 2023. DOI: 10.1177/09544089231207086

  8. Люшня Д.А. Исследование процесса дробеструйной обработки с применением DEM-FEM подхода // Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2022 (ICMSSTE 2022): материалы Международной научно-практической конференции (Ялта, 16–19 мая 2022 г.). Симферополь: Издательский дом КФУ, 2022. С. 531–537.

  9. Du M., Li Z., Feng L., Dong X., Che J., Zhang Y. Numerical simulation of particle fracture and surface erosion due to single particle impact // AIP Advances. 2021. No. 11 (3). Article number 035218. DOI: 10.1063/5.0042928

  10. Бабайцев А.В., Рабинский Л.Н., Мин Я.Н. Методика оценки остаточных напряжений в образцах из сплава AlSi10Mg, полученных по технологии SLM // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159788. DOI: 34759/trd-2021-119-10

  11. Сазанов В.П., Кирпичёв В.А., Письмаров А.В. Распределение остаточных напряжений во впадинах резьбы после опережающего поверхностного пластического деформирования // Труды МАИ. 2023. № 131. DOI: 10.34759/trd-2023-131-07

  12. Ковалев А.А., Краско А.С., Сидоров П.А. Моделирование ударного взаимодействия напыляемых частиц с поверхностью детали при формировании плазменных покрытий // Вестник МАИ. 2021. Т. 28. № 4. С. 257–266. DOI: 10.34759/vst-2021-4-257-266

  13. Khan A., Suh Y.S., Kazmi R. Quasi-static and dynamic loading responses and constitutive modeling of titanium alloys // International Journal of plasticity. 2004. Vol. 20. Iss. 12. P. 2233–2248. DOI: 10.1016/j.ijplas.2003.06.005

  14. Steinberg D.J. Equation of state and strength properties of selected materials, Lawrence Livermore national laboratory report. UCRL-MA-106439, Livermore, CA, 1996. URL: https://books.google.ru/books/about/Equation_of_State_and_Strength_Propertie.html?id=UyEХHAAACAAJ&redir_esc=y (дата обращения: 25.11.2023).

  15. ASM Aerospace Specification Metals Inc. URL: https://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=mtp641 (дата обращения: 25.11.2023).

  16. Kuznetsov V., Smolin I., Skorobogatov A., Akhme- tov A. Finite Element Simulation and Experimental Investigation of Nanostructuring Burnishing AISI 52100 Steel Using an Inclined Flat Cylindrical Tool // Applied Sciences and Technology. 2023. No. 13. Article number 5324. DOI: 10.3390/app13095324

  17. Chen W., Shi Y., Ma J., Xu C., Lu S., Xu X. Stochas- tic Material Point Method for Analysis in Non-Linear Dynamics of Metals // Metals. 2019. No. 9. Article num- ber 107. DOI: 10.3390/met9010107

  18. Matweb. Material property data. URL: https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d0b0a51bff 894778a97f5b72e7317d85&ckck=1 (дата обращения: 25.11.2023).

  19. Totten G.E. ASM handbook. Volume 18: Friction, lubrication, and wear technology. ASM international, Cleveland.1992. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/ASM-Handbook%2C-Volume-18%3A-Friction%2C-Lubrication%2C-and-Totten/ca1cb69c1df9f26ce0c068e 521ecb57f07cd3dc7/ (дата обращения: 25.11.2023).

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024