All
 
|
 
 


Features of finite element modeling of residual stresses arising in a material during laser-shock-wave processing using the method of intrinsic deformations
 
PIIS023571190000614-6-1
DOI10.31857/S023571190000614-6
Publication type Article
Status Published
Authors
G. Sakhvadze 
Affiliation: Institute of Engineering them. A.A. Blagonravova RAS
Address: Moscow
Journal nameProblemy mashinostroeniia i nadezhnosti mashin
Edition
Pages87-96
Abstract

                                            

Keywords
Received26.10.2018
Publication date26.10.2018
Number of characters18546
Cite  
100 rub.
When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.
Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной

Table of contents

Введение
Метод собственных деформаций
Численное моделирование
Ударное нагружение
Конечноэлементное моделирование. Вычисление собственных деформаций, вызванных с применением технологии ЛУВО (явная задача)
Упругое моделирование (неявная задача)
Обсуждение результатов
Собственные деформации и остаточные напряжения, возникавшие в материале в результате обработки по технологии ЛУВО
Выводы 
1

Введение

2 Общая методология технологии лазерно-ударно-волновой обработки (ЛУВО) материалов состоит в следующем: обрабатываемую поверхность (рис. 1, (а), позиция 5) покрывают непрозрачным для лазерного излучения слоем с низкой температурой испарения: черной краской, металлической фольгой или лентой (3). Сверху находится прозрачный слой (2), роль которого наиболее часто выполняет вода. Энергия лазерного импульса (1) поглощается непрозрачным слоем, что приводит к его нагреву, испарению и формированию высокотемпературной плазмы, ограниченной с одной стороны поверхностью исследуемого материала, а с другой – прозрачным слоем, сдерживающим распространение плазмы.
3
01

Рис.1. Схематическое представление протекающих в материале процессов при применении технологии ЛУВО и механизма возникновения остаточных напряжений: а) принципиальная схема технологии ЛУВО; б) возникновение пластических деформаций в приповерхностной области во время действия лазерного излучения – явная динамическая задача - моделируется в конечноэлементом пакете LS-DYNA; в) возникновение остаточных напряжений после окончания лазерного воздействия – неявная статическая задача, как упругий отклик на введенные в систему собственные деформаций - моделируется в конечноэлементом пакете ANSYS: 1 – лазерный импульс; 2- прозрачный слой; 3 – непрозрачный слой; 4 – ударная волна; 5 – исследуемый материал; 6- плазма; 7 – область воздействия лазерного импульса; 8 - сжатый в вертикальной плоскости материал (сжимающие пластические деформаций); 9 - растянутый в горизонтальной плоскости материал (растягивающие пластические деформаций); 10 – релаксация деформируемого материла, вызывающей создание поля сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое

4 Вследствие ограниченности объема, давление резко возрастает до высоких значений и быстро распространяется в материал в виде ударной волны (4), которая способствует появлению в материале сжимающих остаточных напряжений. Если эти напряжения превосходят упругий предел Гюгонио, то материал деформируется пластически [1].
5 Параметры процесса, необходимые для реализации технологии ЛУВО, таковы: нужен короткий (в диапазоне 3-30 нс) и интенсивный (> 1 ГВт/см2) лазерный импульс, перпендикулярно направленный на поверхность исследуемого материала. Поверхностный слой при этом мгновенно испаряются (явление абляции) и образуется приповерхностная плазма (6) с высокой температурой (приблизительно 10000 K) и давлением (> 2 ГПа). Плазма, расширяясь, излучает ударные волны (4), и они распространяются как в среде, так и в твердом теле.
6 Главным практическим результатом применения технологии ЛУВО является создание в приповерхностный области полей мощных сжимающих остаточных напряжений (СОН), которые благоприятно влияют на такие фундаментальные механические характеристики материалов, как их прочность, долговечность, износо- и корозионостойксть. Основными пользователями технологии ЛУВО (первоначально она была довольно дорогой) являются крупные промышленные, военные и космические корпорации (Airbus, Boeing, General Electric, Rolls-Royce, Pratt & Whitney и другие). Кроме того, корпорация Toshiba применила ЛУВО-технологии для повышения безопасности атомных реакторов. В последнее время данная технология широко стали применяться и в машиностроении [2].
7 В настоящей работе численно исследуется плоский образец из ВТ-6 при его обработке по технологии ЛУВО. Хотя ЛУВО может быть успешно применен и для обработки больших и криволинейных поверхностей. Если для таких поверхностей использовать классическую модель ЛУВО [2], то возникают значительные вычислительные трудности, но, используя метод собственных деформаций (МСД), их можно избегать.
8

Метод собственных деформаций
9 При однократном ЛУВО (рис.1, (а)) вовремя и в области воздействия лазерного излучения поверхностный слой испытывает растягивающие пластические деформации в горизонтальной плоскости и сжимающие пластические деформации - в вертикальной плоскости (рисунок 1, (б)). После прекращения воздействия лазерного импульса наступает период релаксации напряжений, во время которой деформированная часть материала подвергается сжатию со стороны окружающий ее недеформированной части материала (рисунок 1, (в)). Таким образом, пластические деформации, вызванные ударной волной, созданной при ЛУВО, генерируют в материале поле сжимающих остаточных напряжений (СОН). Отклик материала можно считать упругим, т.к. считаем, что к моменту начала процесса релаксации пластические деформации уже полностью сформированы и они стабильны. Поэтому имеем все основания считать, что поле СОН, сформированных при ЛУВО, является статическим упругим откликом материала на начальную ударную волну в случае, если предварительно там введены уже сформированные стабилизированные пластические деформации (т.н. «собственные деформации»).

Number of purchasers: 3, views: 1339

Readers community rating: votes 0 

1. Peyre P., Berthe L., Vignal V., Popa I., Baudin T. Analysis of laser shock waves and resulting surface deformations in an Al–Cu–Li aluminum alloy // J. Phys. D Appl. Phys. 2012. V.45. P. 35-42.
2. Morales M., Ocana J.L., Molpeceres C., Porro J.A., Garcia-Beltran A.  Model based optimization criteria for the generation of deep compressive residual stress ?elds in high elastic limit metallic alloys by ns-laser shock processing // Surf. Coat. Tech. 2008. V. 202(11). P. 2257–2262.
3. Reissner H. Eigenspannungen und Eigenspannungsquellen // Z. Angew. Math. Mech. 1931. V. 11. P. 1–8.
4. Mura T. Micromechanics of Defects in Solids / 2nd ed. Dordrecht: Kluwer Academic Publisher. 1991. P. 587.
5. Лохов В.А., Туктамышев В.С. Исследование условий отсутствия механических напряжений в системах с собственными деформациями // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2013. № 2 (26). С. 198–207.
6. Korsunsky A.M. Residual elastic strain due to laser shock peening: modelling by eigenstrain distribution // J. Strain Anal. Eng. Des. 2006. V. 41 (3). P 195–204.
7. Jun T.S., Korsunsky A.M. Evaluation of residual stresses and strains using the eigenstrain reconstruction method // Int. J. Solids Struct. 2010. V.47 (13). P 1678–1686.
8. DeWald A.T., Hill M.R. Eigenstrain-based model for prediction of laser peening residual stresses in arbitrary three-dimensional bodies Part 1: model description // J. Strain Anal. Eng. Des. 2009. V. 44.  P. 1–11.
9. Сахвадзе Г.Ж., Гаврилина Л.В. Лазерно-ударно-волновая обработка материалов при однократных и многократных импульсных воздействиях // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 6. С. 75-80.
10. Сахвадзе Г.Ж., Гаврилина Л.В., Киквидзе О.Г. Влияние эффекта перекрытия лазерных пятен на остаточные напряжения при лазерно-ударно-волновой обработке материалов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2016. № 3. С. 77-84.
11. Сахвадзе Г.Ж., Булекбаева Г.Ж., Киквидзе О.Г. Исследование качества поверхностных слоев, упрочненных лазерно-ударно-волновой технологией при различных степенях перекрытия лазерных пятен // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № 2. С. 132-141.
12. Сахвадзе Г.Ж., Булекбаева Г.Ж., Киквидзе О.Г. Особенности применения технологии двухсторонней лазерно-ударно-волновой обработки материалов для тонкостенных конструкций // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № 3. С. 127-138.
13. Сахвадзе Г.Ж., Пугачев М.С., Киквидзе О.Г. Особенности упрочнения материалов технологией лазерно-ударно-волновой обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 9(141). С. 20-25.
14. Сахвадзе Г.Ж., Пугачев М.С., Киквидзе О.Г. Технология двухсторонней лазерно-ударно-волновой обработки материалов // Вестник машиностроения. 2016. № 10. С. 71-76.
15. Sakhvadze G., Shokhin A, Kikvidze O. Residual Stresses distribution  in Ti–6Al–4V  titanium alloys during Laser Shock  Processing  // Vibroengineering PROCEDIA.  2016. V. 8. P. 422-427.
16. Achintha M., Nowell D., Shapiro K., Withers P.J.  Eigenstrain modelling of residual stresses generated by arrays of laser peening shots and determination of the complete stress field using limited strain measurements  // J. Surf. & Coating Tech. 2013. V.216. P 68-77.

Система Orphus

Loading...
Up