Численное моделирование усталостного разрушения легких сплавов, полученных по аддитивной технологии
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.2.13Ключевые слова:
усталостная прочность, селективное лазерное плавление, математическое моделирование, прогностическая модель, модель циклической повреждаемостиАннотация
Представлен новый подход для оптимизации технологических параметров процесса селективного лазерного плавления. В качестве параметра оптимизации выступает усталостная долговечность образца, полученного методом селективного лазерного плавления. Для реализации подхода разработан двухэтапный алгоритм. На первом этапе решается трехмерная нестационарная нелинейная задача теплопроводности для многофазной системы. В результате моделирования определяются геометрические параметры однослойных и многослойных систем перекрывающихся технологических треков - следов сплавления порошкового материала при помощи лазерного луча. Проводится исследование влияния параметров лазерного плавления (мощности, скорости, шага лазерного луча) на топологические особенности формируемой микроструктуры. Выявлены характерные типы и геометрические параметры квазирегулярных дефектов материала, полученного методом селективного лазерного плавления, в виде областей «непроплавов» и множественных «переплавов». На втором этапе изучается влияние одиночных и множественных дефектов на усталостную прочность напечатанных образцов при высокочастотном нагружении с использованием ранее предложенной авторами мультирежимной модели усталостного разрушения. Показано, что внутренняя неоднородность микроструктуры материалов, изготовленных путем лазерной наплавки, может приводить к более раннему подповерхностному зарождению усталостных трещин и существенно снижать усталостную прочность и долговечность. Этот эффект проявляется сильнее при множественных дефектах. Обсуждаемые модели и алгоритмы позволяют рассчитать усталостную прочность и долговечность материала в зависимости от выбранных технологических параметров как в случае корсетных образцов для усталостных испытаний, создаваемых селективным лазерным плавлением, так и для изделий. Выполнено математическое моделирование и проведено сравнение усталостной долговечности корсетных образцов с экспериментальными данными. Подтверждено качественное и количественное соответствие результатов.Скачивания
Библиографические ссылки
Ponnusamy P., Sharma B., Masood S.H., Rahman Rashid R.A., Rashid R., Palanisamy S., Ruan D. A study of tensile behavior of SLM processed 17-4 PH stainless steel // Materials Today: Proceedings. 2021a. Vol. 45, no. 6. P. 4531–4534. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.1104
Toprak İ.B., Dogdu N. Optimization of tensile strength of AlSi10Mg material in the powder bed fusion process using the Taguchi method // Scientific Reports. 2024a. Vol. 14. 31172. DOI: 10.1038/s41598-024-82541-1
Simonelli M., Tse Y.Y., Tuck C. Effect of the build orientation on the mechanical properties and fracture modes of SLM Ti–6Al–4V // Materials Science and Engineering: A. 2014a. Vol. 616. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.msea.2014.07.086
Liu S., Shin Y.C. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review // Materials and Design. 2019a. Vol. 164. 107552. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.107552
DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjee T., Elmer J.W., Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties // Progress in Materials Science. 2018a. Vol. 92. P. 112–224. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001
Stoffregen H.A., Butterweck K., Abele E. Fatigue Analysis in Selective Laser Melting: Review and Investigation of Thin-Walled Actuator Housings // Solid Freeform Fabrication Symposium. 2014a. P. 635–650. DOI: 10.26153/tsw/15713
Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. New-York: CRC Press, 2004a. 328 p. . DOI: 10.1201/9780203020609
Mughrabi H. Damage Mechanisms and Fatigue Lives: From the Low to the Very High Cycle Regime // Procedia Engineering. 2013a. Vol. 55. P. 636–644. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.03.307
Шанявский А.А. Масштабные уровни процессов усталости металлов // Физическая мезомеханика. 2014. Т. 17, № 6. C. 87–98.
Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2009. 782 с.
Гордеев Г.А., Кривилев М.Д., Анкудинов В.Е. Компьютерное моделирование селективного лазерного плавления высокодисперсных металлических порошков // Вычислительная механика сплошных сред. 2017. Т. 10, № 3. C. 293–312. DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.3.23
Князева А.Г. Моделирование физических и химических явлений в процессах обработки поверхностей материалов высокоэнергетическими источниками // Математическое моделирование систем и процессов. 2009. № 17. C. 66–84.
Агаповичев А.В., Сотов А.В., Смелов В.Г. Математическое моделирование процесса селективного лазерного сплавления порошка титанового сплава ВТ6 // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2020. Т. 19, № 2. C. 53–62. DOI: 10.18287/2541-7533-2020-19-2-53-62
Mirzade F.K., Niziev V.G., Panchenko V.Y., Khomenko M.D., Grishaev R.V., Pityana S., Rooyen C. van. Kinetic approach in numerical modeling of melting and crystallization at laser cladding with powder injection // Physica B: Condensed Matter. 2013a. Vol. 423. P. 69–76. DOI: 10.1016/j.physb.2013.04.053
Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. 616 с.
Петров И.Б. Вычислительная математика для физиков. М.: Физматлит, 2021. 376 с.
Dilip J.J.S., Zhang S., Teng C., Zeng K., Robinson C., Pal D., Stucker B. Influence of processing parameters on the evolution of melt pool, porosity, and microstructures in Ti-6Al-4V alloy parts fabricated by selective laser melting // Progress in Additive Manufacturing. 2017a. Vol. 2, no. 3. P. 157–167. DOI: 10.1007/s40964-017-0030-2
Никитин И.С., Голубев В.И., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Численное моделирование процесса селективного лазерного плавления порошков из титановых и алюминиевых сплавов // Математическое моделирование. 2025. Т. 37, № 1. C. 61–80. DOI: 10.20948/mm-2025-01-04
Babaytsev A., Nikitin A., Ripetskiy A. VHCF of the 3D-Printed Aluminum Alloy AlSi10Mg // Inventions. 2023a. Vol. 8. 33. DOI: 10.3390/inventions8010033
Никитин А.Д., Стратула Б.А. Моделирование циклической повреждаемости и усталостной прочности при высокочастотном нагружении 3Д-напечатанных образцов из алюминиевого сплава // Математическое моделирование и численные методы. 2024. № 1. C. 18–37. DOI: 10.18698/2309-3684-2024-1-1837
Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д. Повреждаемость и усталостное разрушение элементов конструкций в различных режимах циклического нагружения // Прикладная математика и механика. 2022a. Т. 86, № 2. C. 276–290. DOI: 10.31857/S0032823522020084
Бураго Н.Г., Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Численное моделирование усталостного разрушения на основе нелокальной теории циклической повреждаемости // Математическое моделирование. 2024. Т. 36, № 3. C. 3–19. DOI: 10.20948/mm-2024-03-01
Nikitin A., Burago N., Nikitin I., Stratula B. Algorithms for calculation damage processes // Frattura ed Integrità Strutturale. 2019a. Vol. 13. P. 212–224. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.49.22
Bathias C., Drouillac L., Le François P. How and why the fatigue S–N curve does not approach a horizontal asymptote // International Journal of Fatigue. 2001a. Vol. 23, no. 1. P. 143–151. DOI: 10.1016/S0142-1123(01)00123-2
Shlyannikov V.N. Creep–fatigue crack growth rate prediction based on fracture damage zone models // Engineering Fracture Mechanics. 2019a. Vol. 214. P. 449–463. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.04.017
Petukhov D.S., Keller I.E. Evolutionary Model of Fatigue Fracture Under Irregular Loading // Mechanics of Solids. 2022a. Vol. 57, no. 2. P. 263–270. DOI: 10.3103/S0025654422020194
Plekhov O., Naimark O. The study of a defect evolution in iron under fatigue loading in gigacyclic fatigue regime // Frattura ed Integrità Strutturale. 2016a. Vol. 10, no. 35. P. 414–423. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.35.47
Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д. Повреждаемость и усталостное разрушение элементов конструкций в различных режимах циклического нагружения // Прикладная математика и механика. 2022b. Т. 86, № 2. C. 276–290. DOI: 10.31857/S0032823522020084
Bažant Z.P., Jirásek M. Nonlocal Integral Formulations of Plasticity and Damage: Survey of Progress // Journal of Engineering Mechanics. 2002a. Vol. 128. P. 1119–1149. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2002)128:11(1119)
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
