Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева

Салихова Н.К., Дудин Д.С., Келлер И.Э., Пермяков Г.Л., Трушников Д.Н. Модель искривления стенки на подложке, наращиваемой проволочно-дуговой наплавкой, и ее экспериментальная апробация для алюминиевого сплава // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2023. № 3(57). С. 5-24. DOI: https://doi.org/10.37972/chgpu.2023.56.2.012. EDN: DSOUBG.

Автор(ы)

Салихова Н.К. — Институт механики сплошных сред УрО РАН

Дудин Д.С. — Институт механики сплошных сред УрО РАН

Келлер И.Э. — Институт механики сплошных сред УрО РАН

Пермяков Г.Л. — Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Трушников Д.Н. — Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Название статьи

Модель искривления стенки на подложке, наращиваемой проволочно-дуговой наплавкой, и ее экспериментальная апробация для алюминиевого сплава

Название (англ.): A model of deflection of the wall on a substrate during wire-arc surfacing and its experimental confirmation for an aluminum alloy

Индекс(ы) УДК

539.374+621.791.927.55

DOI

10.37972/chgpu.2023.56.2.012

EDN

DSOUBG

Ключевые слова

аддитивное производство; проволочно-дуговая наплавка; послойная обкатка роликом; алюминиевый сплав; искажения; остаточные напряжения; эксперимент; расчет

Аннотация

Для исследования формирования остаточных напряжений и искажений изделий, создаваемых проволочно-дуговой наплавкой, университетом Крэнфилда выполнена наплавка на закрепленную подложку стенки из алюминиевого сплава, в том числе — с послойной обкаткой роликом с различным усилием прижима. В настоящей работе значения прогиба освобожденной конструкции из данного эксперимента воспроизведены численно, для чего построена математическая модель. Процесс представлялся в виде последовательно решаемых задач а) тепловой — наплавки 9-18 слоев материала, б) термоупругопластической — формирования собственных деформаций и остаточных напряжений вследствие остывания созданной конструкции с неоднородным распределением температуры во время паузы, в) термоупругопластической — обкатки роликом напряженной заготовки при повышенной температуре (этап может отсутствовать) и г) упругопластической — искажения конструкции и изменения поля остаточных напряжений при освобождении конструкции. Для учета собственных деформаций при послойной обкатке роликом и прогнозирования эволюции изгиба конструкции и распределения остаточных напряжений по ее высоте разработана балочно-стержневая модель механики наращиваемой стенки. Модель хорошо описывает величину продольного изгиба образца при наплавке, однако избыточно учитывает влияние обкатки роликом. При послойной, и даже однократной, обкатке роликом конструкция изгибается в противоположном направлении, тогда как в эксперименте она только выпрямляется.

Даты

Поступила: 19.05.2023; Принята: 01.12.2023; Опубликована: 27.12.2023

Страницы

5-24

Полная версия статьи

Скачать PDF

QR-код EDN

1. The Strengthening Effect of Inter-Layer Cold Working and Post-Deposition Heat Treatment on the Additively Manufactured Al-6.3Cu Alloy / J. Gu, J. Ding, S. Williams et al. // Materials Science and Engineering A. 2016. no. 651. P. 18–26.
2. Karunakaran K., Kapil S., Negi S. Multi-Station Multi-Axis Hybrid Layered Manufacturing System // Indian Patent no. 201821038516. 2018.
3. Formation of Structure and Properties of Two-Phase Ti-6Al-4V Alloy during Cold Metal Transfer Additive Deposition with Interpass Forging / Y. Shchitsyn, M. Kartashev, E. Krivonosova et al. // Materials. 2021. no. 16 (14). p. art. 4415.
4. Improving VT6 Titanium-Alloy Components Produced by Multilayer Surfacing / D. Trushnikov, M. Kartashev, T. Olshanskaya et al. // Russian Engineering Research. 2021. no. 9 (41). P. 848–850.
5. Гибридные технологии и оборудование аддитивного синтеза изделий / А.В. Киричек, О.Н. Федонин, А.В. Хандожко [и др.] // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 9. С. 31–38.
6. Study of Residual Stress and Microstructural Evolution in As-Deposited and Inter-Pass Rolled Wire Plus Arc Additively Manufactured Inconel 718 Alloy after Ageing Treatment / J. Hoennige, C. E. Seow, S. Ganguly et al. // Material Science and Engineering A. 2021. no. 801. p. art. 140368.
7. Control of residual stress and distortion in aluminium wire + arc additive manufacture with rolling / J. Hoennige, P. Colegrove, S. Ganguly et al. // Additive Manufacturing. 2018. no. 22. P. 775–783.
8. Манжиров А.В. Общая безынерционная начально-краевая задача для кусочно-непрерывного наращиваемого вязкоупругого стареющего тела // Прикладная математика и механика. 1995. № 59 (5). С. 836–848.
9. Yavari A. A Geometric Theory of Growth Mechanics // Journal of Nonlinear Sciences. 2010. no. 20. p. 781–830.
10. Transient Temperature Fields in Growing Bodies Subject to Discrete and Continuous Growth Regimes / S. Lychev, A. Manzhirov, M. Shatalov et al. // Procedia IUTAM. 2017. no. 23. p. 120–129.
11. Лычев С.А., Фекри М. Остаточные напряжения в термоупругом цилиндре, возникающие в результате послойной наплавки // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2020. № 26 (3). с. 63–90.
12. Lychev S., Koifman K., Djuzhev N. Incompatible Deformations in Additively Fabricated Solids: Discrete and Continuous Approaches // Symmetry. 2021. no. 13 (2331).
13. Modeling residual stresses and distortions of the wall on a substrate built by wire-arc additive manufacturing / D. Dudin, I. Keller, G. Permyakov et al. // Journal of Siberian Federal University. Mathematics and Physics. 2024. no. 1. P. 1–16.
14. Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно-дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций / Ю.В. Баяндин, Д.С. Дудин, А.В. Ильиных [и др.] // Вестник ПНИПУ. Механика. 2023. № 1. С. 33–45.
15. EN 1999-1-2 Eurocode 9: Design of aluminium structures. Part 1-2: Structural fire design. CEN. 2023. 61 p.
16. LS-DYNA® Keyword User’s Manual. Volume II. Material Models. Ver. R13. Livermore Software Technology Corporation. 2021. 1993 p.
17. Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса. Применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением / И.Э. Келлер, А.В. Казанцев, Д.С. Дудин [и др.] // Вычислительная механика сплошных сред. 2021. № 4. С. 434–443.
18. Способ определения остаточных напряжений в ребре на жестком основании / И.Э. Келлер, Д.С. Петухов, Д.С. Дудин [и др.] // Патент на изобретение N 27977712018. 2023.

1. Gu J., Ding J., Williams S., et al. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al–6.3Cu alloy. Materials Science and Engineering A, 2016, vol. 651, pp. 18–26.
2. Karunakaran K., Kapil S., Negi S. Multi-station multi-axis hybrid layered manufacturing system. Indian Patent No. 201821038516, 2018.
3. Shchitsyn Y., Kartashev M., Krivonosova E., et al. Formation of structure and properties of two-phase Ti–6Al–4V alloy during cold metal transfer additive deposition with interpass forging. Materials, 2021, vol. 14, no. 16, article 4415.
4. Trushnikov D., Kartashev M., Olshanskaya T., et al. Improving VT6 titanium-alloy components produced by multilayer surfacing. Russian Engineering Research, 2021, vol. 41, no. 9, pp. 848–850.
5. Kirichek A.V., Fedonin O.N., Khandozhko A.V., et al. Hybrid technologies and equipment for additive manufacturing of products. Naukoemkie Tekhnologii v Mashinostroenii, 2022, no. 9, pp. 31–38. (In Russian).
6. Hoennige J., Seow C.E., Ganguly S., et al. Study of residual stress and microstructural evolution in as-deposited and inter-pass rolled wire plus arc additively manufactured Inconel 718 alloy after ageing treatment. Materials Science and Engineering A, 2021, vol. 801, article 140368.
7. Hoennige J., Colegrove P., Ganguly S., et al. Control of residual stress and distortion in aluminium wire + arc additive manufacture with rolling. Additive Manufacturing, 2018, vol. 22, pp. 775–783.
8. Manzhirov A.V. General inertia-free initial-boundary-value problem for a piecewise-continuous growing viscoelastic ageing body. Prikladnaya Matematika i Mekhanika, 1995, vol. 59, no. 5, pp. 836–848. (In Russian).
9. Yavari A. A geometric theory of growth mechanics. Journal of Nonlinear Science, 2010, vol. 20, pp. 781–830.
10. Lychev S., Manzhirov A., Shatalov M., et al. Transient temperature fields in growing bodies subject to discrete and continuous growth regimes. Procedia IUTAM, 2017, vol. 23, pp. 120–129.
11. Lychev S.A., Fekri M. Residual stresses in a thermoelastic cylinder resulting from layer-by-layer deposition. Vestnik Samarskogo Universiteta. Estestvennonauchnaya Seriya, 2020, vol. 26, no. 3, pp. 63–90. (In Russian).
12. Lychev S., Koifman K., Djuzhev N. Incompatible deformations in additively fabricated solids: Discrete and continuous approaches. Symmetry, 2021, vol. 13, article 2331.
13. Dudin D., Keller I., Permyakov G., et al. Modeling residual stresses and distortions of the wall on a substrate built by wire-arc additive manufacturing. Journal of Siberian Federal University. Mathematics and Physics, 2024, no. 1, pp. 1–16.
14. Bayandin Yu.V., Dudin D.S., Il'inykh A.V., et al. Strength and ductility characteristics of several metal alloys and stainless steels produced by wire-arc deposition over a wide range of strain rates. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 1, pp. 33–45. (In Russian).
15. EN 1999-1-2 Eurocode 9: Design of Aluminium Structures. Part 1-2: Structural Fire Design. CEN, 2023. 61 p.
16. LS-DYNA Keyword User’s Manual. Vol. II: Material Models. Version R13. Livermore Software Technology Corporation, 2021. 1993 p.
17. Keller I.E., Kazantsev A.V., Dudin D.S., et al. Shape distortion, plastic-strain localization, and residual-stress distribution during one-sided forging or rolling of a bar: Application of the results to additive manufacturing of a frame with layer-by-layer pressure treatment. Vychislitel'naya Mekhanika Sploshnykh Sred, 2021, no. 4, pp. 434–443. (In Russian).
18. Keller I.E., Petukhov D.S., Dudin D.S., et al. Method for determining residual stresses in a rib on a rigid foundation. Patent for Invention No. 27977712018, Russian Federation, 2023. (In Russian).

Авторские права и лицензия

© 2023 Автор(ы). Статья публикуется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» 4.0 Всемирная (CC BY 4.0), которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего указания авторства. Авторские права на статью сохраняются за авторами.