Development and verification of material models in modeling of wave strain hardening and additive synthesis (3DMP) processes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: The creation of competitive machine parts capable of withstanding standard and increased operational loads is a relevant task in mechanical engineering. Developing additive synthesis technologies together with strengthening technologies make it possible to create products with high load-bearing capacity. However, to improve the efficiency of these technologies, it is necessary to create theoretical models of the considered processes. The paper presents the results of the first stage of creating complex theoretical models of the combined 3DMP process and wave strain hardening (WSH) required for designing the technological processes for manufacturing engine parts and brake systems of automotive equipment.

AIM: Creation and adequacy assessment of the models of materials used in finite element modeling of additive synthesis processes with subsequent hardening.

METHODS: Theoretical models of the material were created in the ANSYS software package, which is capable of performing multidisciplinary calculations. The experimental data required for preparing the models were obtained by testing tensile samples manufactured using standardized methods. The hardness of materials was studied using the KB 30S automatic hardness tester. The adequacy of additive synthesis modeling was assessed based on the distribution of temperature fields. The adequacy of models of the material for the WSH process was assessed based on the sizes of individual plastic indentations and the distribution diagrams of the depth and degree of hardening in the surface layer.

RESULTS: Theoretical models of the following materials were created: steel 45, stainless steel 12Cr18Ni10Ti, bronze alloy CuAl8Fe3, titanium alloy VT 1-0, aluminum alloy V95. The theoretical data obtained from the modeling results have a high level of significance. The studies were conducted for various thermal (in the range from +20ºС to +800ºС) and deformation modes. Graphical results of theoretical and experimental studies make it possible to obtain a qualitative assessment of the studied processes with the required accuracy.

CONCLUSION: As a result of the adequacy assessment of the created models, it was found that the discrepancy between the empirical and theoretical data does not exceed 7.4%. The obtained models of materials are statistically significant and can be correctly applied in further studies.

About the authors

Andrey V. Kirichek

Bryansk State Technical University

Email: avkbgtu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3823-0501
SPIN-code: 6910-0233

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Vice-Rector for Prospective Development

Russian Federation, Bryansk

Sergey V. Barinov

Vladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletov

Email: box64@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-1341-446X
SPIN-code: 3565-9623

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Vladimir

Alexander V. Yashin

Vladimir State University named after A. G. and N. G. Stoletov

Author for correspondence.
Email: yashin2102@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3186-1300
SPIN-code: 3473-4047

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Vladimir

Svetlana O. Fedonina

Bryansk State Technical University

Email: fedonina.sv2015@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0472-4845
SPIN-code: 5236-7473

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Metal-Cutting Machines and Tools Department

Russian Federation, Bryansk

Kirill Y. Androsov

Bryansk State Technical University

Email: androkirl@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7894-5405
SPIN-code: 6833-7985

Postgraduate of the Metal-Cutting Machines and Tools Department

Russian Federation, Bryansk

References

  1. Treutler K, Gehling T, Scheck M, et al. Properties oriented WAAM — microstructural and geometrical control in WAAM of low-alloy steel. Welding in the World. 2024;68(2):247–257. doi: 10.1007/s40194-023-01666-5
  2. Kirichek AV, Solovyev DL, Lazutkin AG. Technology and equipment for static-pulse processing of surface-plastic deformation. Moscow: Mashinostroenie; 2004. (In Russ.)
  3. Aslanyan IR, Barinov SV, Bezyazychnyy VF. Handbook of Surface Plastic Deformation Processes. Irkutsk: Irkutskiy NITU; 2022 (In Russ.) EDN: HVWXZM
  4. Kirichek A, Fedonin O, Khandozhko A, et al. Hybrid technologies and equipment for additive synthesis of products. Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2022;(8(134):31–38 (In Russ.) doi: 10.30987/2223-4608-2022-8-31-38 EDN: PHNJGX
  5. Kumar V, Singh A, Bishwakarma H, Mandal A. Simulation of metallic Wire-arc additive manufacturing (WAAM) process using SIMUFACT Welding software. Journal of Manufacturing Engineering. 2023;18(2):80–85. doi: 10.37255/jme.v18i2pp080-085
  6. Makaruk AA, Khamaganov AM, Pashkov AA, et al. Study of stress standing during processing of parts of increased rigidity with a striker tool. Bulletin of the Irkutsk State Technical University. 2017;21(4(123)):39–46 (In Russ.) doi: 10.21285/1814-3520-2017-4-39-46 EDN: YLJJFL
  7. Blumenstein V, Mahalov M, Ostanin O. Simulation and Calculation of Residual Stresses in Mining Machines Components. E3S Web of Conferences. 2018;41. doi: 10.1051/e3sconf/20184103012
  8. Del’ G. Determination of stresses in the plastic region by hardness distribution. Moscow: Mashinostroenie; 1971 (In Russ.)
  9. Markovets MP. Determination of mechanical properties of metals by hardness. Moscow: Mashinostroenie; 1979. (In Russ.)
  10. Serafinovich LP. Experimental planning: Study guide. Tomsk: Tomsk Interuniversity Center for Distance Education; 2006 (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Example of the stress-strain dependence at a temperature of +400°C for the stainless steel 12CrNi10Ti (taken from the Ansys library): Stress, MPa.

Download (47KB)
3. Fig. 2. Distribution of deformations in a sample made of the CuAl8Fe3 after the WSH (the color scale describes change of equivalent deformations εEQV in the range between 0 and 0.369 mm).

Download (179KB)
4. Fig. 3. Comparison of theoretical (2, 4) and experimental (1, 3) dependencies of hardness change (HB, MPa) by depth (h, mm) of the surface layer: 1, 2 — a non-reinforced material; 3, 4 — a reinforced with an indentation overlap coefficient К=0.2.

Download (283KB)
5. Fig. 4. Example of temperature distribution in the “shell” model after 10 seconds of cooling (the color scale shows the temperature of the material in °С).

Download (238KB)
6. Fig. 5. Comparison of the theoretical and experimental data on the temperature of the outer wall of the synthesized “shell” part.

Download (193KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».