Конечно-элементное моделирование деформаций поверхности лопаток компрессора ГТД из титанового сплава ВТ6, образующихся при лазерной ударной обработке с расширением низкотемпературной плазмы в ограниченном канале


Авторы

Кожевников Г. Д.*, Королев Д. Д., Ляховецкий М. А., Токачев Д. А., Трегулов Д. Ф.

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

*e-mail: kozhevnikov.mai@yandex.ru

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы, связанные с лазерной ударной обработкой (ЛУО) – технологией, применяемой для повышения усталостной прочности путём создания сжимающих остаточных напряжений на поверхности деталей. Основное внимание уделяется численному моделированию процесса ЛУО и оценке влияния различных параметров обработки, таких как интенсивность и длительность лазерного импульса, а также влияние повторных ударов на деформацию поверхности. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными при значениях интенсивности лазерного излучения до 8 ГВт/см² для различных длительностей импульса. Получено, что численная модель не учитывает эффект насыщения поверхностных деформаций по мере увеличения повторных ударов. Настоящее исследование направлено на валидацию численной модели ЛУО для прогнозирования поверхностных деформаций, которая может служить вспомогательным инструментом для оптимизации режимов обработки.

Ключевые слова:

усталость, титановый сплав, остаточные напряжения, лазерная ударная обработка, конечно-элементное моделирование, поверхностные деформации, лопатки компрессора

Библиографический список

  1. Lv J. H., Wang W. Z., Liu S. W. Statistical analysis of  failure cases in aerospace //International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering. – 2018. – Т. 12. – №. 5. – С. 497-501. https://doi.org/10.5281/zenodo.131 6616
  2. Строкач Е. А., Кожевников Г. Д., Пожидаев А. А.  Численное моделирование процесса эродирования  твердыми частицами в газовом потоке (обзор) // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2021. – №. 67. – С. 56-69. DOI:  10.15593/2224-9982/2021.67.06
  3. Pozhidaev A., Kozhevnikov G., Strokach E. Numerical study of turbulence model effect on solid particle  erosion in gaseous flow //AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing, 2023. – Т. 2549. – №. 1. DOI: 10.10 63/5.0130489
  4. Коновалов, Л.И. Метод ультразвукового упрочнения поверхностей узлов и деталей авиационных газотурбинных двигателей, как одна из перспективных технологий в авиастроении / Л.И. Коновалов,  Г.Г. Ширваньянц // Молодой учёный. – 2015. – № 22 (102). – С. 141–147.
  5. Сулима, А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А.М. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин. –М.: Машиностроение, 1988. – 240 с.
  6. Александров И. М., Миляев К. Е., Семёнов С. В.  Анализ возможности применения низкопластичного  выглаживания для повышения надежности лопаток  ГТД // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2018. – №. 53. – С. 86-96.
  7. Ширяев А. А., Габов И. Г., Миленин А. С. Влияние лазерного ударного упрочнения на параметры  поверхностного слоя лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава  //Материаловедение. – 2024. – Т. 26. – №. 1. – С. 66-73. DOI: 10.15593/2224-9877/2024.1.08
  8. Clauer A. H. Laser shock peening, the path to production //Metals. – 2019. – Т. 9. – №. 6. – С. 626.  https://doi.org/10.3390/met9060626
  9. Korolev D. D., Kozhevnikov G. D., Tokachev D. A.,  Lyakhovetskii M. A., Petukhov Yu. V. The Effect of  Laser Shock Peening on the Physical and Mechanical  Properties of the Surface Layer of D16 Aluminum Alloy // Russian Aeronautics. – 2023. – Т. 66. – №. 4. – С. 829–837. https://doi.org/10.3103/S1068799823040244
  10. Иногамов Н. А., Е.А. Перов, В. В. Жаховский, В.  В. Шепелев, Ю. В. Петров. Лазерная ударная волна: пластичность, толщина слоя остаточных дефор маций и переход из упругопластического в упругий  режим распространения // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2022. – Т. 115. – №. 2. – С. 80–88. https://doi.org/10.31857/S1 234567822020033
  11. Moradi, A., Heidari, A., Amini, K., Aghadavoudi, F.,  Abedinzadeh, R. The effect of shot peening time on  mechanical properties and residual stress in Ti-6Al-4V  alloy //Metallurgical Research & Technology. – 2022. – Т. 119. – №. 4. – С. 401. https://doi.org/10.1051/me tal/2022036
  12. Maharjan, N., Chan, S. Y., Ramesh, T., Nai, P. G.,  Ardi, D. T. Fatigue performance of laser shock peened  Ti6Al4V and Al6061‐T6 alloys //Fatigue & Fracture of  Engineering Materials & Structures. – 2021. – Т. 44. – №. 3. – С. 733-747. https://doi.org/10.1111/ffe.13390
  13. Kim, R., Suh, J., Shin, D., Lee, K. H., Bae, S. H., Cho,  D. W., Yi, W. G.FE analysis of laser shock peening on  STS304 and the effect of static damping on the solution // Metals. – 2021. – Т. 11. – №. 10. – С. 1516. DOI:  10.3390/met11101516
  14. Fabbro, R., Fournier, J., Ballard, P., Devaux, D., &  Virmont, J. Physical study of laser‐produced plasma in  confined geometry //Journal of applied physics. – 1990. – Т. 68. – №. 2. –С. 775-784. https://doi.org/10.1063/1.346783
  15. Sun B., Qiao H., Zhao J. Accurate numerical modeling  of residual stress fields induced by laser shock peening // AIP Advances. – 2018. – Т. 8. – №. 9. – С. 095203.  DOI: 10.1063/1.5039674
  16. Johnson G. R. A constitutive model and data for materials subjected to large strains, high strain rates, and high  temperatures //Proc. 7th Inf. Sympo. Ballistics. – 1983. – С. 541–547.
  17. Amarchinta, H. K., Grandhi, R. V., Langer, K.,  Stargel, D. S. Material model validation for laser shock  peening process simulation //Modelling and simulation  in materials science and engineering. – 2008. – Т. 17. – №. 1. – С. 015010. DOI 10.1088/0965-0393/17/1/0 15010
  18. Hu Y., Grandhi R.V. Efficient numerical prediction of  residual stress and deformation for large-scale laser shock  processing using the eigenstrain methodology // Surface  and Coatings Technology, 2012, Vol. 206, No. 15,  P. 3374-3385. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.01.050
  19. Li, X., He, W., Luo, S., Nie, X., Tian, L., Feng, X., &  Li, R. Simulation and experimental study on residual stress distribution in titanium alloy treated by laser shock  peening with flat-top and Gaussian laser beams // Mate rials. – 2019. – Т. 12. – №. 8. – С. 1343. DOI: 10.3390/ ma12081343
  20. Rondepierre, A., Sollier, A., Videau, L., & Berthe, L.  Review on laser interaction in confined regime: Discussion about the plasma source term for laser shock appli cations and simulations //Metals. – 2021. – Т. 11. – №. 12. – С. 2032. https://doi.org/10.3390/met11122032.  

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024