Особенности конечноэлементного моделирования остаточных напряжений, возникающих в материале при лазерно-ударно-волновой обработке, с использованием метода собственных деформаций

Сахвадзе Г. Ж.

doi:10.31857/S023571190000614-6

Главная

Проблемы машиностроения и надежности машин

Выпуск 4

Особенности конечноэлементного моделирования остаточных напряжений, возникающих в материале при лазерно-ударно-волновой обработке, с использованием метода собственных деформаций

Аннотация
Оценка
Библиография

Особенности конечноэлементного моделирования остаточных напряжений, возникающих в материале при лазерно-ударно-волновой обработке, с использованием метода собственных деформаций

Код статьи

S023571190000614-6-1

DOI

10.31857/S023571190000614-6

Тип публикации

Статья

Статус публикации

Опубликовано

Авторы

Сахвадзе Г. Ж.

Аффилиация: Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Адрес: г. Москва

Название журнала

Проблемы машиностроения и надежности машин

Выпуск

Страницы

87-96

Аннотация

Лазерно-ударно-волновая обработка (ЛУВО) материалов является эффективной современной технологией обработки металлических материалов, при которой в приповерхностной области генерируются значительные сжимающие остаточные напряжения (СОН), которые способствуют повышению их прочностных, трибологических и эксплуатационных характеристик. В настоящей работе проведено конечноэлементное моделирование технологии ЛУВО с использованием метода собственных деформаций (МСД). Специфика использования МСД состоит в следующем: сначала решается динамическая задача по воздействию ударной нагрузки и определяется распределение стабилизированных пластических деформаций (т.н. «собственных деформаций»), после чего решается статическая задача, как упругий отклик системы на введённые в ней собственные деформации. Определяется уровень возникающих сжимающих остаточных напряжений, возникающих при ЛУВО. Полученные результаты хорошо коррелируются с известными экспериментальными данными.

Ключевые слова

лазерно-ударно-волновая обработка материалов, метод собственных деформаций, остаточные напряжения, метод конечных элементов

Источник финансирования

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», Соглашение о предоставлении субсидии №14.607.21.0166 от 26.09.2017 г., проект RFMEFI60717X0166.

Получено

26.10.2018

Дата публикации

26.10.2018

Кол-во символов

18546

Цитировать

ГОСТ	Сахвадзе Г. Ж. Особенности конечноэлементного моделирования остаточных напряжений, возникающих в материале при лазерно-ударно-волновой обработке, с использованием метода собственных деформаций // Проблемы машиностроения и надежности машин – 2018. – Выпуск 4 C. 87-96 [Электронный ресурс]. URL: http://ras.jes.su/pminm/s207987840000069-4-1-ru (дата обращения: 30.04.2024). DOI: 10.31857/S023571190000614-6
MLA	Sakhvadze, G. "Features of finite element modeling of residual stresses arising in a material during laser-shock-wave processing using the method of intrinsic deformations." Problemy mashinostroeniia i nadezhnosti mashin 4 (2018):87-96. DOI: 10.31857/S023571190000614-6
APA	Sakhvadze G. (2018). Features of finite element modeling of residual stresses arising in a material during laser-shock-wave processing using the method of intrinsic deformations. Problemy mashinostroeniia i nadezhnosti mashin (4), pp.87-96 DOI: 10.31857/S023571190000614-6

100 руб.

При оформлении подписки на статью или выпуск пользователь получает возможность скачать PDF, оценить публикацию и связаться с автором. Для оформления подписки требуется авторизация.

Оператором распространения коммерческих препринтов является ООО «Интеграция: ОН»

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной.


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	Подпись к рисунку/медиа 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 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»).

Всего подписок: 3, всего просмотров: 1334

Оценка читателей: голосов 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.

Оглавление

Введение

Метод собственных деформаций