РОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АДДИТИВНО ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

THE ROLE OF RESIDUAL STRESSES IN THE FATIGUE LIFE OF ADDITIVELY MANUFACTURED PARTS

Andreev Aleksey Alekseevich

Second Category Design Engineer, Rocket and Space Corporation “Energia”, Russia, Korolev

Аннотация. В статье рассматривается влияние остаточных напряжений, возникающих при аддитивном производстве, на точность прогнозирования усталостной долговечности деталей. На примере образцов из титанового сплава ВТ6, изготовленных по технологии прямого лазерного выращивания, показано повышение точности оценки усталостной долговечности. Результаты численного расчета сравнивались с экспериментальными данными. Результаты работы подчеркивают необходимость включения остаточных напряжений в расчетную модель.

Abstract. The article examines the impact of residual stresses arising during additive manufacturing on the accuracy of fatigue life prediction for components/ Using titanium alloy VT6 specimens manufactured by direct laser deposition technology it demonstrates improved fatigue life assessment accuracy. Numerical calculation results were compared with experimental data. The results highlight the need to incorporate residual stresses into calculation model.

Ключевые слова: аддитивные технологии, остаточные напряжения, усталостная долговечность, прямое лазерное выращивание, титановый сплав.

Keywords: additive manufacturing, residual stresses, fatigue life, direct laser deposition, titanium alloy.

В настоящее время наблюдается рост применения аддитивного производства (АП) в ракетно-космической технике (РКТ) [1]. В работе рассматривается изготовление образцов из титанового сплава ВТ6 методом прямого лазерного выращивания (ПЛВ) (от англ. DLD – Direct Laser Deposition). АП связано с появлением высоких остаточных напряжений, оказывающих существенное влияние на усталостную долговечность деталей [2]. Остаточные напряжения возникают из-за чередующихся термического сжатия и расширения в процессе воздействия лазерного луча [2, 3]. Как известно, усталостное разрушение является наиболее частой причиной выхода из строя несущих конструкций. Классические методы прогнозирования усталостной долговечности [4] не предполагают учет остаточных напряжений, что снижает точность прогнозирования. Для прогнозирования усталостной долговечности в АП необходимо использовать комплексный подход, который заключается в учете остаточных напряжений и технологических особенностей производства.

Таким образом, актуальность работы заключается в более достоверном исследовании усталостной прочности деталей, изготавливаемых АП. Цель работы заключается в исследовании влияния остаточных напряжений на точность прогнозирования усталостной долговечности деталей, изготовленных методом ПЛВ.

Циклические испытания

Циклические испытания на усталость образцов из титанового сплава ВТ6 проводились по ГОСТ 25.502–79 при коэффициенте асимметрии цикла 0,1.

Геометрия образцов для циклических испытаний на усталость представлена на рисунке 1.

В таблице 1 представлены результаты циклических испытаний
на усталость образцов из титанового сплава ВТ6.

Определение остаточных напряжений

Задача определения остаточных напряжений заключается в решении нестационарной связанной термопрочностой задачи, которая состоит из двух этапов [2, 5]:

1. расчет температурного поля, формирующееся под воздействием лазерного луча аддитивной установки. На этом этапе решается нестационарная задача теплопроводности;

2. полученное распределение температур применяется в качестве входных данных для определения напряженно-деформированного состояния.

3.  

Рисунок 1. Геометрия образцов для циклических испытаний на усталость

Таблица 1.

Результаты циклических испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 на усталость

Математическая модель определения усталостной долговечности

Прогнозирование усталостной долговечности образцов, изготовленных АП, выполняется с учетом приложения следующих нагрузок (рисунок 2):

1. начальные напряжения – остаточные напряжения, присутствующие в образце после АП, неизменны во времени;

2. напряжения от внешнего циклического нагружения – переменные напряжения, которые меняются в течение цикла от максимального до минимального значения.

Таким образом, минимальное и максимальное напряженное состояние цикла формируется в результате совместного действия внутренних (остаточных) и внешних (переменных) нагрузок.

В результате присутствия остаточных напряжений в образце в процессе циклического нагружения формируется многоосное напряженное состояние. Для оценки числа циклов необходимо многоосное напряженное состояние свести к одноосному [6].

В общем случае вид блок-схемы для прогнозирования усталостной прочности образцов, изготавливаемых АТ, представлен на рисунке 3.

Рисунок 2. Приложение нагрузок (Fixed Support - ограничение по всем степеням свободы, Pmax – максимальная нагрузка в цикле)

Результаты расчета

Эпюра остаточных напряжений после АП приведена на рисунке 4.

На рисунке 5 приведена диаграмма, показывающая количество циклов до разрушения для разных случаев нагружения, для сравнения экспериментальных и полученных расчетных данных.

Как видно из рисунка 5, все полученные расчетные значения долговечности образцов выше экспериментальных данных.

Рисунок 3. Блок-схема для прогнозирования усталостной долговечности

Рисунок 4. Эпюра остаточных напряжений (эквивалентных по Мизесу)  после АП, Мпа

Рисунок 5. Количество циклов до разрушения для экспериментальных и расчетных данных

Как видно из рисунка 5, учет остаточных напряжений при расчете образцов на долговечность позволяет получить более реалистичные к экспериментальным данным значения количества циклов до разрушения.

Из-за игнорирования остаточных напряжений подход, не учитывающий распределение остаточных напряжений, дает завышенную оценку количества циклов до разрушения, что вынуждает использовать повышенные коэффициенты запаса, что приводит к неоптимальным конструкциям.