Конечно-элементный анализ остаточных напряжений, возникающих в результате лазерной ударной проковки титанового сплава ВТ6
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.2.13Ключевые слова:
лазерная ударная проковка, остаточные напряжения, конечно-элементное моделированиеАннотация
Технология лазерной ударной проковки является эффективным инструментом для создания распространяющихся на глубину более 1 мм остаточных напряжений в приповерхностной зоне конструкций, изготовленных из металлов и сплавов. Применение данной технологии позволяет существенно улучшить механические свойства и повысить усталостный ресурс изделий. Однако для эффективного использования данной технологии в промышленности необходимо создать эффективный инструмент для подбора оптимальных параметров импульсного воздействия. Данная работа направлена на исследование влияния интенсивности воздействия и геометрической схемы лазерной ударной проковки на результирующее поле остаточных напряжений в титановом сплаве ВТ6 путем численного моделирования. Использованный подход включал два этапа. На первом из них проводилось моделирование распространения упругопластических волн на основе определяющего соотношения Джонсона–Кука, на втором – осуществлялся статический расчет распределения остаточных напряжений с учетом созданных на первом этапе полей пластической деформации. Изучение влияния параметров проковки выполнено на примере квадратной пластины толщиной 3 мм, центральная область фронтальной поверхности которой подвергалась воздействию лазерного излучения, сфокусированного в пятне квадратной формы со стороной 3 мм. Проведенный анализ показал, что увеличение интенсивности энергии лазерного воздействия позволяет повысить максимальное значение сжимающего напряжения, но при этом формируются растягивающие напряжения на тыльной поверхности пластины. Возможным способом устранения этого эффекта является двухсторонняя проковка без перекрытия лазерных пятен или односторонняя проковка с пятидесятипроцентным перекрытием. В обоих случаях наблюдается рост максимального значения сжимающего напряжения на фронтальной и тыльной поверхностях образца. Увеличение числа проходов лазера при односторонней проковке приводит к тому, что максимальное значение сжимающего напряжения и глубина его воздействия повышаются, но при этом растягивающие напряжения в объеме образца также возрастают.
Скачивания
Библиографические ссылки
Braisted W., Brockman R. Finite element simulation of laser shock peening // Int. J. Fatig. 1999. Vol. 21. P. 719-724. https://doi.org/10.1016/S0142-1123(99)00035-3
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. Vol. 45. 335304. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/33/335304
Ding K. Three-dimensional dynamic finite element analysis of multiple laser shock peening processes // Surf. Eng. 2003. Vol. 19. P. 351-358. https://doi.org/10.1179/026708403225007563
Peyre P., Sollier A., Chaieb I., Berthe L., Bartnicki E., Braham C., Fabbro R. FEM simulation of residual stresses induced by laser Peening // Eur. Phys. J. AP. 2003. Vol. 23. P. 83-88. https://doi.org/10.1051/epjap:2003037
Warren A.W., Guo Y.B., Chen S.C. Massive parallel laser shock peening: Simulation, analysis, and validation // Int. J. Fatig. 2008. Vol. 30. P. 188-197. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.01.033
Sticchi M., Staron P., Sano Y., Meixer M., Klaus M., Rebelo-Kornmeier J., Huber N., Kashaev N. A parametric study of laser spot size and coverage on the laser shock peening induced residual stress in thin aluminium samples // J. Eng. 2015. Vol. 2015. P. 97-105. https://doi.org/10.1049/joe.2015.0106
Spradlin T.J., Grandhi R.V., Langer K. Experimental validation of simulated fatigue life estimates in laser-peened aluminum // International Journal of Materials and Structural Integrity. 2011. Vol. 2. P. 74-86. https://doi.org/10.1108/17579861111108635
Keller S., Chupakhin S., Staron P., Maawad E., Kashaev N., Klusemann B. Experimental and numerical investigation of residual stresses in laser shock peened AA2198 // J. Mater. Process. Tech. 2018. Vol. 255. P. 294-307. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.11.023
Peyre P., Chaieb I., Braham C. FEM calculation of residual stresses induced by laser shock processing in stainless steels // Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 2007. Vol. 15. P. 205-221. https://doi.org/10.1088/0965-0393/15/3/002
Langer K., Spradlin T.J., Fitzpatrick M.E. Finite element analysis of laser peening of thin aluminum structures // Metals. 2020. Vol. 10. 93. https://doi.org/10.3390/met10010093
Hfaiedh N., Peyre P., Song H., Popa I., Ji V., Vignal V. Finite element analysis of laser shock peening of 2050-T8 aluminum alloy // Int. J. Fatig. 2015. Vol. 70. P. 480-489. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2014.05.015
Sun R.J., Zhu Y., Guo W. Effect of laser shock processing on surface morphology and residual stress field of TC17 titanium alloy by FEM method // J. Plast. Eng. 2017. Vol. 24. P. 187-193.
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 // Materials. 2019. Vol. 12. 1343. https://doi.org/10.3390/ma12081343
Zhang X., Li H., Duan S., Yu X., Feng J., Wang B., Huang Z. Modeling of residual stress field induced in Ti–6Al–4V alloy plate by two sided laser shock processing // Surf. Coating Tech. 2015. Vol. 280. P. 163-173. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.09.004
Kumar G.R., Rajyalakshmi G. FE simulation for stress distribution and surface deformation in Ti-6Al-4V induced by interaction of multi scale laser shock peening parameters // Optik. 2020. Vol. 206. 164280. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164280
Wang С., Li K., Hu X., Yang H., Zhou Y. Numerical study on laser shock peening of TC4 titanium alloy based on the plate and blade model // Opt. Laser Tech. 2021. Vol. 142. 107163. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107163
Xu G., Luo K.Y., Dai F.Z., Lu J.Z. Effects of scanning path and overlapping rate on residual stress of 316L stainless steel blade subjected to massive laser shock peening treatment with square spots // Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 481. P. 1053-1063. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.093
Hu Y., Gong C., Yao Z., Hu J. Investigation on the non-homogeneity of residual stress field induced by laser shock peening // Surf. Coating Tech. 2009. Vol. 203. P. 3503-3508. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.04.029
Keller S., Horstmann M., Kashaev N., Klusemann B. Experimentally validated multi-step simulation strategy to predict the fatigue crack propagation rate in the residual stress field after shock peening // Int. J. Fatig. 2019. Vol. 124. P. 265-276. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.12.014
Amarchinta H. Uncertainty quantification of residual stresses induced by laser peening simulation / PhD Dissertation in Engineering. Dayton: Wright State University, 2010. 201 p.
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. Vol. 11. 1516. https://doi.org/10.3390/met11101516
Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proc. of the 7th International Symposium on Ballistics. Hague, The Netherlands, April 19-21, 1983. P. 541-547.
Zerilli F.J., Armstrong R.W. Dislocation-mechanics-based constitutive relations for material dynamics calculations // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61. P. 1816-1825. https://doi.org/10.1063/1.338024
Khan A.S., Suh Y.S., Kazmi R. Quasi-static and dynamic loading responses and constitutive modeling of titanium alloys // Int. J. Plast. 2004. Vol. 20. P. 2233-2248. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2003.06.005
Кузькин В.А., Михалюк Д.С. Применение численного моделирования для идентификации параметров модели Джонсона-Кука при высокоскоростном деформировании алюминия // Вычисл. мех. сплош. сред. 2010. Т. 3, №1. С. 32-43. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2010.3.1.4
Hu Y., Yao Z. Numerical simulation and experimentation of overlapping laser shock processing with symmetry cell // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2008. Vol. 48. P. 152-162. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2007.08.021
Zhao J., Dong Y., Ye C. Laser shock peening induced residual stresses and the effect on crack propagation behavior // Int. J. Fatig. 2017. Vol. 100. P. 407-417. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.04.002
Fabbro R., Fournier J., Ballard P., Devaux D., Virmont J. Physical study of laser-produced plasma in confined geometry // J. Appl. Phys. 1990. Vol. 68. P. 775-784. https://doi.org/10.1063/1.346783
Pozdnyakov V., Keller S., Kashaev N., Klusemann B., Oberrath J. Сoupled modeling approach for laser shock peening of AA2198-T3: From plasma and shock wave simulation to residual stress prediction // Metals. 2022. Vol. 12. 107. https://doi.org/10.3390/met12010107
Nam T. Finite element analysis of residual stress field induced by laser shock peening / PhD Dissertation in Mechanical Engineering. Columbus: Ohio State University, 2002. 187 p.
Загрузки
Опубликован
Версии
- 2022-07-26 (2)
- 2022-07-26 (1)
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2022 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.