Математическое моделирование дисперсно-упрочненного композиционного материала, выращенного по технологии прямого лазерного выращивания, для ракетно-космической техники

Язык труда и переводы:
УДК:
620.179.18
Дата публикации:
19 января 2022, 01:14
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Аннотация:
Рассмотрены основные особенности прогнозирования физико-механических характеристик дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе различных титановых сплавов при помощи математического моделирования представительного элемента объема матрицы и включений, а также конечно-элементного моделирования образцов, изготовленных по технологии прямого лазерного выращивания, в программных комплексах MSC.Digimat и Ansys.
Ключевые слова:
математическое моделирование, композиционный материал, титановый сплав, керамические частицы, ракетно-космическая техника
Основной текст труда

В работе осуществляется моделирование дисперсно-упрочненного композиционного материала (ДУКМ) на основе двух титановых сплавов ВТ6 [1] и ТЛ5 с упрочняющими керамическими частицами карбида кремния (SiC) и карбида титана (TiC) различного объемного содержания, а также ключевые особенности прогнозирования физико-механических свойств композиционных материалов и образцов в программных комплексах MSC.Digimat и Ansys.

Рассмотрены основные назначения, область применения ДУКМ в ракетно-космической технике, особенности прогнозирования физико-механических свойств подобных материалов и технологического процесса прямого лазерного выращивания (ПЛВ) в современных программных комплексах, используемых в авиакосмической отросли.

Установлено, что прогнозирование механических свойств ДУКМ в программном комплексе MSC.Digimat достаточно точно отражено в использовании метода конечно-элементного моделирования представительного объема материала на микроуровне в модуле «Digimat-FE», который позволяет определить не только основные механические характеристики как модуль упругости, плотность и т.д., но и установить зависимость между пределом прочности материала и его деформации. Полученная предварительная информация, при использовании такого подхода проектирования конструкций, может значительно ускорить разработку конструкторской документации без проведения большого числа экспериментальных исследований материала.

Отмечено, что моделирование технологического процесса ПЛВ в программном комплексе Ansys позволяет точно выявить зоны максимального напряжения и перемещения в изготавливаемых деталях на этапе их проектирования, что в свою очередь дает возможность скорректировать процесс выращивания с уменьшением вероятности получения дефектной продукции.

Проведены испытания на растяжение различных вариантов исполнения ДУКМ на основе титановых сплавов ВТ6 и ТЛ5:

  • получен оптимальный режим выращивания образцов;
  • выявлено эффективное относительное содержание SiC и TiC в матричном материале на основе диаграмм напряженно-деформированного состояния;
  • проанализированы причины трещинообразования.

Сделан вывод, что прогнозирование физико-механических свойств ДУКМ на основе двух титановых сплавов ВТ6 и ТЛ5 с упрочняющими керамическими частицами SiC и TiC различного относительного содержания с применением метода математического моделирования представительного объема в программном комплексе MSC.Digimat (модуль Digimat-FE) и анализа конечно-элементной модели образцов в программном комплексе Ansys имеет достаточную точность определения необходимых характеристик материала, однако не учитывает влияние химических связей, возникающих в процессе выращивания, из-за чего возникает погрешность и небольшое расхождение с результатами, полученными экспериментальным путем.

Литература
  1. Волосевич Д.В., Шальнова С.А., Вильданов А.М., Магидов И.С., Михайловский К.В., Климова-Корсмик О.Г. Прямое лазерное выращивание металлокерамических сплавов на основе титана // Фотоника. 2021. Т. 15, № 4. С. 296–307. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.4.296.306
  2. Туричин Г.А., Земляков Е.В., Климова О.Г. Прямое лазерное выращивание — перспективная аддитивная технология для авиадвигателестроения // Сварка и диагностика. 2015. № 3. С. 54–57.
  3. DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjee T. Additive manufacturing of metallic components — Process, structure and properties // Progress in Materials Science. 2018. Vol. 92. Pp. 112–224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.10.001
  4. Zheng B., Zhou Y., Smugeresky J., Schoenung J., Lavernia E. Thermal Behavior and Microstructural Evolution during Laser Deposition with Laser-Engineered Net Shaping: Part I. Numerical Calculations // Metallurgical and Materials Transactions A 39. 2008. Pp. 2228–2236. DOI: 10.1007/s11661-008-9557-7
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.