Оптимизация конструкций и условий наплавки деталей и узлов газотурбинных двигателей методом аддитивных технологий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Федоров Максим Михайлович

• Федоров Максим Михайлович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Федоров Максим Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Анализ подходов к оптимальному проектированию

1.2. Современные методы оптимизации при проектировании конструкций

1.3. Анализ материалов, применяемых для аддитивных технологий

1.4. Анализ состояния вопроса оптимизации режимов

лазерной наплавки

1.4.1. Исследование механизмов образования

дефектов после наплавки

1.4.2. Анализ особенностей реализации технологии

лазерной наплавки

1.4.3. Анализ влияния режимов лазерной наплавки

на качество обработки

1.4.4. Анализ возможности оптимизации режимов

лазерной наплавки

1.5. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования

2. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ГТД

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТОДОМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

2.1. Основные этапы и принципы проектирования

2.2. Примеры оптимизации конструкции деталей ГТД

2.2.1. Оптимизация конструкции трубы откачки масла

2.2.2. Оптимизация конструкции крышки лабиринта

2.3. Выводы по главе

3. МОДЕЛЬ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ГТД

3.1. Постановка задачи топологической оптимизации

3.2. Определение переменных проектирования

3.3. Оптимизация формы

3.4. Топологическая оптимизация конструкций

деталей и узлов ГТД при действии термосиловых нагрузок

3.5. Примеры топологической оптимизации конструкций с учетом термосиловых нагрузок

3.5.1. Топологическая оптимизация детали «Кронштейн»

3.5.2. Топологическая оптимизация детали «Фиксатор»

3.6. Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПЛАВЛЯЕМЫХ МЕТАЛЛОПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

4.1. Методика проведения исследований

4.1.1. Методика проведения исследований

на определение формы частиц

4.1.2. Методика проведения исследований на

определение насыпной плотности

4.1.3. Методика проведения исследований на

определение размера частиц

4.2. Исследования порошка 1псопе1

4.2.1. Исследования на определение формы частиц

4.2.2. Исследования на определение насыпной плотности

4.3. Исследования порошка ВТ6

4.3.1. Исследования на определение формы частиц

4.3.2. Исследования на определение насыпной плотности

4.3.3. Исследования на определение размера частиц

4.4. Исследования порошка ЖС6У

4.4.1. Исследования на определение формы частиц

4.4.2. Исследования на определение насыпной плотности

4.4.3. Исследования по определению размера частиц

4.5. Выводы по главе

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ

5.1. Анализ результатов опытных наплавок деталей ГТД в производственных условиях

5.2. Анализ факторов, влияющих на процесс

лазерной наплавки изделий

5.2.1. Наплавка изделий из никелевых сплавов

5.2.2. Наплавка изделий из титановых сплавов

5.3. Модель и алгоритм оптимизации режимов лазерной наплавки

5.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Методика топологической оптимизации деталей и узлов ГТД с использованием Solid Thinking Inspire

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты об использовании результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация конструкций и условий наплавки деталей и узлов газотурбинных двигателей методом аддитивных технологий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Задача создания перспективных газотурбинных двигателей (ГТД) ставит все более жесткие требования по снижению массы деталей вследствие повышения требований по эффективности как узлов, так и двигателей в целом. Это приводит к необходимости применения новых материалов, поиска новых конструктивных решений, использования новых технологий. Традиционные методы проектирования и изготовления ограничивают возможность получения сложных конструкций деталей и узлов ГТД.

В настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений в производстве газотурбинной техники являются аддитивные технологии (далее - АТ). Внедрение АТ вместо классических субтрактивных производственных методов позволяет [1]:

- существенно сократить цикл изготовления деталей и снизить их себестоимость;

- использовать материалы, формообразование которых традиционными технологиями невозможно или неэффективно;

- создавать конструкции с уникальной топологией;

- изменить бизнес-модель производства услуг.

На последнее преимущество опирается стратегия развития Industry 4.0 (переход от В2В к В2С без увеличения стоимости изделия).

На рис. 1.1 представлен ряд деталей, изготовленных по аддитивным технологиям, где технико-экономический эффект уже получен [2].

Для того, чтобы проектируемые изделия были востребованы на рынке, их эксплуатационные характеристики должны соответствовать аналогичным характеристикам промышленных изделий ведущих мировых производителей. Таким образом, важнейшей становится проблема проектирования конструкции под заданные критерии качества (целевые показатели), определяемые условиями эксплуатации изделия. Кроме этого, следует отметить:

- важнейшими задачами, стоящими сегодня перед конструкторами всего мира, являются снижение массы и увеличение удельной прочности конструкций, используемых в аэрокосмической отрасли;

- для учета особенностей аддитивных технологий в целях максимальной эффективности их использования геометрия детали должна быть изначально оптимизирована применительно к изготовлению этим способом.

а

б

в

г

д

Рисунок 1.1 - Номенклатура деталей ГТД, изготовленных по аддитивным технологиям: а - элементы опоры; б - обвязка, механизация; в - лопатки КВД; г - лопатки ТНД; д - детали камеры сгорания [2]

Решение перечисленных выше проблем (в совокупности с необходимостью получения максимальных преимуществ от внедрения АТ) напрямую связано с задачей поиска оптимальных геометрических параметров проектируемого изделия [3].

Наиболее используемым подходом в оптимальном проектировании является применение параметризованной модели, позволяющей варьирование некоторых размеров в заданных пределах при соблюдении наложенных условий,

которыми, в частности, могут являться условия прочности конструкции, обусловленные ее температурно-силовым напряженным состоянием во время эксплуатации.

Альтернативой параметрической оптимизации является применение методов топологической оптимизации. Внедрение методик оптимального проектирования позволяет найти наилучшие параметры конструкции, удовлетворяющие технологическим и прочностным ограничениям, обеспечивая, таким образом, минимум целевой функции [4].

Оптимизация конструкции деталей является первым этапом повышения эффективности от внедрения аддитивных технологий. Второй этап - совершенствование самих технологий. Обобщение опыта ПАО «ОДК-Сатурн» по внедрению аддитивных технологий позволило установить:

- избыточную трудоемкость получения поверхностей деталей ГТД при помощи АТ;

- высокий процент брака при наплавке поверхностей деталей ГТД в условиях ремонтного производства, что в особенности это характерно для наплавки титановых порошков и обработки протяженных сложно-профильных поверхностей (например, входной кромки лопатки вентилятора SaM 146).

В этой связи, с целью увеличения эффекта от внедрения АТ, необходимо выполнение работ по их оптимизации. В частности, требуется исследовать влияние характеристик порошков на технологический процесс и качество наплавки, оптимизировать, исходя из требований к качеству поверхности, режимы наплавки.

Таким образом, настоящая работа, направленная на оптимизацию конструкций и условий лазерной наплавки деталей и узлов ГТД, является актуальной в части повышения эффективности применения аддитивных технологий.

Объектом исследования являются технологические процессы производства деталей и узлов ГТД.

Предметом исследований настоящей работы являются аддитивные технологии изготовления и ремонта деталей и узлов ГТД.

Цель работы: повышение эффективности применения аддитивных технологий изготовления деталей и узлов ГТД путем оптимизации конструкций изделий и режимов наплавки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Сформулировать принципы и этапы проектирования геометрии деталей (узлов), изготавливаемых методом аддитивных технологий, учитывающие особенности их производства и условия эксплуатации сборочного узла.

2. Разработать модель топологической оптимизации конструкций деталей и узлов ГТД на основе анализа их температурно-силового напряженного состояния в процессе эксплуатации.

3. Предложить комплекс методик по исследованию металлопорошковых композиций для определения соответствия их характеристик требованиям, обусловленных заданным качеством наплавки деталей и узлов ГТД.

4. Разработать модель и алгоритм расчетного определения технологических режимов лазерной наплавки деталей и узлов, исходя из обеспечения требуемого качества изделий.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1) предложена модель топологической оптимизации конструкций деталей и узлов ГТД, основанная на анализе их температурно-силового напряженного состояния в процессе эксплуатации и учитывающая особенности их производства методом аддитивных технологий;

2) сформулированы принципы и этапы проектирования геометрии деталей (узлов), позволяющие учесть технологические особенности их производства способом лазерной наплавки при уменьшении трудоемкости их изготовления и обеспечении требуемых показателей качества;

3) разработана математическая модель температурного поля, возникающего в металле при лазерной наплавке, на основе которой реализовано расчетное определение технологических условий наплавки деталей и узлов ГТД.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) установлены принципы и этапы проектирования геометрии деталей (узлов) для производства при помощи аддитивных технологий (на примере способа селективной лазерной плавки (SLM), учитывающие технологические особенности последних и способствующие уменьшению трудоемкости изготовления изделий.

2) разработаны технологические рекомендации по осуществлению наплавки порошков никелевых и титановых сплавов, учитывающие физические, химические и технические особенности данного процесса и позволяющие минимизировать брак при изготовлении деталей и узлов ГТД.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. Соответствует п. 9 - Теоретические основы и технологические процессы изготовления деталей двигателей и агрегатов летательных аппаратов, включая технологическую подготовку производства, в том числе автоматизированные системы проектирования и управления, технологические процессы и специальное оборудование для формообразования и обработки деталей двигателей, их защита.

Методы диссертационного исследования. В работе использовались основные положения теоретических основ изготовления деталей газотурбинных двигателей; методов исследования материалов; теории прочности; механики твердого тела; основ теплофизики; теории оптимального проектирования.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Инновационные возможности аддитивных технологий, совместно применяемые с современными пакетами прикладных программ проектирования и инженерного анализа, позволяют решать сложные инженерные задачи, в особенности в авиационной отрасли, как одного из наиболее приоритетных направлений развития техники.

Наращивание темпов внедрения аддитивных технологий в область авиационного производства оправдано сокращением производственных циклов, повышением экономической эффективности, повторяемостью высокого качества изготовления, а также гибкостью разработки дизайна будущих деталей и изделий. Аддитивные технологии создают условия перехода промышленности к производству нового поколения, которые приведут к изменению производственного цикла и созданию новых конструкций, относящихся к продуктам четвертой промышленной революции, получившей название «Индустрия 4.0». IV промышленная революция приведет к существенным изменениям в мировой экономике и в социальной сфере [5]. Не является исключением и инженерно-конструкторская область, где, благодаря развитию вычислительных технологий и мощностей, а также появлению новых производственных технологий (в частности, технологий аддитивного производства) происходит постепенная смена парадигмы проектирования конструкций. Теперь, наряду с опытом генерального конструктора (а иногда, и вместо него), все большее значение при проектировании конструкций приобретает владение наукоемкими инженерными технологиями.

Зарубежные производители авиационной техники, среди которых такие гиганты, как Boeing, Bell Helicopter, начали освоение BD-печати в середине 1990-х, наладив производство полимерных деталей для продукции. На сегодняшний день доля от общего рынка аддитивных технологий, приходящаяся на авиационное производство, согласно Wohlers Report [6], составляет 18,2 % (рис. 1.2, а). По мнению многих мировых аналитиков, степень внедрения АТ в

реальное производство является индикатором индустриального потенциала государства. Мировым лидером по внедрению и потреблению технологий 3D-печати по данным на 2017 год являются Соединенные Штаты Америки. Около 37% от числа проданных систем для 3D-печати приходится на США. Россия -на 12 месте с долей рынка 1,4 % (рис. 1.2, б).

Тайвань; 1,60%

Архитектура; 3,00%

Военная сфера; 6,20% Образование; 8,10%

Другое; 7,20%

Товары общего потребления/ электроника; 12,80%

Аэрокосмическое производство; 18,20%

Медицина/стоматология; 11,00%

Двигателестроение; 14,80%

Машиностроение; 18,80%

Великобритания; 4,20%

Германия; 8,40%^ Канада; 1,90%-у / Россия; 1,40%-

Япония; 9,20%

Франция; 3,10%—■ Турция; 1,30%—

Китай; 10,30% Испания; 1,20% Италия; 3,30%

США; 36,80%

Корея; 3,40% Шведция; 1,20%

Другие; 12,80%

а

б

Рисунок 1.2 - Области применения (а) и мировой рынок (б) аддитивных технологий [6]

Внедрение в производство аддитивных технологий привело к кардинальной трансформации парадигмы разработки деталей, выражающейся в необходимости применения инновационных принципов проектирования, которые в сочетании с новыми технологическими возможностями дают максимальный синергетический эффект.

1.1. Анализ подходов к оптимальному проектированию

Теория оптимального проектирования, как самостоятельная научная область, сформировалась во второй половине XX века. В. Прагер в своей книге «Основы теории оптимального проектирования» [7] рассматривал, в основном, оптимизацию ферменных конструкций. Н. В. Баничук анализировал более широкий класс задач, включающий оптимизацию стержней, пластин и оболочек [8, 9] и оптимизацию форм упругих тел [10], много внимания при этом уделяя различным вариационным формулировкам задач оптимизации и

численным методам их решения. В. А. Троицкий и Л. В. Петухов также рассматривали задачи оптимизации форм упругих тел [11], сосредотачиваясь на задачах оптимизации форм стержней и пластин при колебаниях и в условиях потерн устойчивости. Ю. М. Почтман и З. И. Пятигорский рассматривали задачи оптимизации стрежней и пластин с помощью методов линейного и нелинейного программирования [12]. Ю. М. Почтман на примере задач оптимизации стержней и оболочек (в том числе, изготовленных из композиционных материалов), анализировал постановку и методы решения многокритериальных задач оптимизации. Вопросами оптимального проектирования конструкций (как правило, на примере стержней, пластин и оболочек) также серьезно занимались М. И. Рейтман и Г. С. Шапиро [13].

В перечисленных научных трудах на глубоком фундаментальном уровне представлены подходы к оптимизации типовых механических конструкций при наличии различных механических воздействий и в рамках имеющихся ограничений.

В литературе также представлены работы по оптимальному проектированию конструкций в конкретных промышленных областях. Например, оптимальному проектированию конструкций летальных аппаратов посвящены труды В. А. Комарова [14 - 16]. Вопросы проектирования судовых конструкций рассматривал А. А. Родионов [17 - 19]. Стоит отметить, что подходы, предложенные в этих работах, могут быть распространены и на задачи оптимизации конструкций из других отраслей.

В настоящее время оптимальное проектирование развивается в двух направлениях. С одной стороны, во многом благодаря развитию численных методов решения задач механики сплошной среды, при оптимизации конструкций активно стали использовать такие методы, как топологическая оптимизация, топографическая оптимизация и др. С другой стороны, при оптимальном проектировании современных промышленных изделий (представляющих собой сложные сборки и подверженных одновременному (или поочередному) действию нагрузок различной природы) на первый план выходят численные методы компьютерного моделирования и оптимизации, реализованные в компьютерных инженерных системах. В первую очередь это CAD

(Computer-Aided Design), CAE (Computer-Aided Engineering), CAO (Computer-Aided Optimization) системы, а также CAM (Computer-Aided Manufacturing) системы. CAD системы позволяют построить пространственную геометрическую модель объекта практически любой сложности. САЕ системы позволяют смоделировать поведение конструкции при воздействии статических и динамических нагрузок различной природы, и во многих случаях, отказаться от использования упрощенных инженерных методик. САО системы, использующие лучшие достижения в области методов оптимизации, позволяют подобрать оптимальные параметры конструкций для улучшения их эксплуатационных характеристик. САМ системы позволяют смоделировать процесс изготовления изделия и оптимизировать этот процесс. Поэтому, и оптимальное проектирование сложных конструкций сегодня невозможно без использования перечисленных систем. В этом контексте важнейшую роль начинает играть не наличие на предприятии программных средств, реализующих те или иные оптимизационные алгоритмы, а, в первую очередь, организация процесса проектирования, включающая методические и программные средства, позволяющие выстроить процесс проектирования с помощью CAD/CAE/CAO систем наилучшим образом с точки зрения целей предприятия.

Сегодня, использование CAD/CAE/CAO систем на предприятии, как правило, происходит в рамках подхода, который, условно, можно назвать «традиционным» (рис. 1.3).

CAD

Рисунок 1.3 - Традиционный подход к проектированию конструкций

В традиционном подходе к разработке конструкции, инженер-конструктор, исходя из своего многолетнего опыта разработки и интуиции, исходя из эксплуатационных нагрузок и ограничений, разрабатывает концепцию будущей конструкции. Далее, с помощью оцифровки, эта конструкция превращается в CAD модель, по которой затем создается прототип изделия. Этот прототип подвергается натурным испытаниям. Параллельно создается расчетная САЕ модель, которая верифицируется путем сравнения с результатами натурных испытаний, и, в дальнейшем, может использоваться для проверки тех случаев нагружения, которые нельзя воспроизвести в натурных испытаниях. В случае неудовлетворения каким-либо ограничениям, в том числе, и технологическим, модель вместе с рекомендациями по модификации возвращается конструктору.

Очевидно, что в традиционном подходе основную роль играют опыт и интуиция специалистов конструкторского профиля. Альтернативным подходом к проектированию является проектирование на основе математического моделирования и оптимизации конструкций, которое предполагает существенно более широкое использование вычислительных средств (рис. 1.4)

Рисунок 1.4 - Поход к проектированию на основе оптимизации

Данный подход предполагает, что на входе инженер-конструктор работает только с компоновочным объемом и требуемыми к изделию характеристиками (для конкретных эксплуатационных режимов) и далее, с помощью применения компьютерных технологий (CAD/CAE/CAO), получает компьютерную модель изделия, удовлетворяющую всем заданным эксплуатационным и технологическим ограничениям. При этом используются как инженерные расчеты (САЕ), так и оптимизационные расчеты (САО). Для получения концепции изделия уже используется не опыт инженера-конструктора, а оптимизационные технологии, в частности, топологическая оптимизация. Нужно отметить, что решение, полученное с помощью оптимизационных технологий, часто оказывается существенно отличающимся от той концепции, которую мог бы предложить инженер-конструктор, исходя из своего опыта. Далее, создается виртуальный прототип изделия, позволяющий проверить удовлетворение изделия всем эксплуатационным и технологическим ограничениям (в последнем случае могут использоваться САМ технологии). Уже после того, как с помощью вычислительных экспериментов установлено, что изделие удовлетворяет всем заданных ограничениях, создается прототип изделия, и проводятся натурные испытания. В случае удовлетворения требованиям натурных испытаний изделие попадает в производство. Наиболее подробно данный подход изложен в работе А. И. Боровкова [20].

Современные научные работы, посвященные методологии оптимального проектирования, также ориентированы на использование современных средств математического моделирования. Так, в статье Д. И. Конотопа [21] рассматривается онтологический подход к оптимальному проектированию сложных технических объектов. Данная работа сосредоточена на автоматизации процесса проектирования таких объектов с применением принципов декомпозиции и синтеза критериев качества объектов, представленных в виде CAD, CAE и CAM моделей.

Теоретические аспекты топологической оптимизации детально рассмотрены в статье В. А. Комарова [15], а общие принципы построения процесса

проектирования на основе топологической оптимизации и обучения процессу проектирования - в работе Болдырева А. В. и Павельчука М. В. [22]. В контексте темы настоящей работы и описанных выше подходов к проектированию, обращает на себя внимание статья В. А. Комарова [15], в которой автор рассуждает о двух парадигмах в области проектирования. Одна из них является устоявшейся для рассматриваемой отрасли и предполагает большое количество натурных испытаний объекта. Вторая парадигма - это проектирование объекта на основе математического моделирования, где важнейшим звеном является структурная (топологическая) оптимизация. Как замечает автор, в этом подходе испытания используются не для выявления ошибок, а для подтверждения работоспособности математических моделей.

1.2. Современные методы оптимизации при проектировании конструкций

На сегодняшний день, при разработке конструкций, используются методы структурной и параметрической оптимизации. К структурной оптимизации относятся топологическая оптимизация, оптимизация формы, топографическая оптимизация, оптимизация пластин переменной толщины и др.

Топологическая оптимизация [23] - это оптимизация, позволяющая оптимальным с точки зрения ресурса, жесткости и других физико-механических параметров тела образом удалить из тела «лишний» материал (рис. 1.5). Оптимизация формы [24] позволяет с помощью варьирования поверхности тела, снизить концентрацию напряжений, возникающих вследствие начальной кривизны поверхности (рис. 1.6). Топографическая оптимизация [25] позволяет оптимизировать жесткость оболочечных структур через оптимальное изменение «рельефа поверхности» (рис. 1.7). Оптимизация пластин переменной толщины [33] позволяет найти оптимальное с точки зрение жесткости распределение толщины пластины (рис. 1.8).

Рисунок 1.5 - Топологическая оптимизация авиационного кронштейна [26]

Рисунок 1.6 - Оптимизация формы [27]

Исходная форма Оптимальная поверхность

Рисунок 1.7 - Топографическая оптимизация [28]

Параметрическая оптимизация предполагает изменение параметров объекта, и нахождение экстремума целевой функции, зависящей от этих параметров, при заданных ограничениях. Методы параметрической оптимизации делятся аналитические (такие, как метод множителей Лагранжа) и численные. Численные методы параметрической оптимизации делятся на случайные, детерминированные и смешанные (такие как Response Surface Methods, RSM), однокритериальные и многокритериальные, требующие вычисления только значения целевой функции и требующие вычисления производных целевой функции по переменным проектирования и т. д.

Все перечисленные выше методы структурной оптимизации основаны на методе конечных элементов. Параметрическая мультидисциплинарная оптимизация конструкций, где значения целевой функции извлекаются из расчетов в CAE системах, также невозможна без использования метода конечных элементов.

Метод конечных элементов [29, 30] - наиболее распространенный численный метод решения задач механики деформируемого твердого тела, реализованный в таких известных CAE системах, как ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA, NASTRAN и др.

Метод состоит в дискретизации области определения искомых функций (перемещений, температуры и т.д.) и аппроксимации искомых функций базис-

ными, кусочно-непрерывными функциями. Значения искомых функций в узлах конечных элементов находятся с помощью подстановки аппроксимирующих функций в соответствующий функционал (например, функционал потенциальной энергии системы) и решении системы линейных алгебраических уравнений, возникающей в результате применения условия экстремальности записанного функционала.

Метод конечных элементов, реализованный в CAE системах, позволяет находить решение задач механики деформируемого твердого тела для составных конструкций сложной геометрической формы, подверженных одновременному действию механических, тепловых, электромагнитных и других нагрузок.

Исходя из анализа работ в области оптимизации конструкций, автор считает целесообразным разработку 2-х уровневой оптимизации. На первом уровне на основе анализа эксплуатации сборочного узла производится структурная оптимизация конструкций деталей и узлов ГТД, учитывающая технологические особенности их производства методом аддитивных технологий. На втором уровне - производиться топологическая оптимизация конструкций на основе температурно-силового нагруженного состояния деталей и узлов в процессе эксплуатации.

Оптимизация конструкций деталей и узлов ГТД имеет существенное значение для повышения эффективности применения АТ. Кроме этого, немаловажным является оптимизация самих технологий, в рамках которой значимую роль играет обоснованный выбор исходных материалов.

1.3. Анализ материалов, применяемых для аддитивных технологий

Основными материалами для BD-печати являются полимеры. Как видно из диаграммы на рисунке 1.9 [31], наибольший сегмент (39 %) занимают фотополимеры. На втором и третьем местах - полимерные порошки (25 %) и фи-

ламенты (20,4 %). Использование металлов для аддитивных технологий началось почти 30 лет назад. Сегодня они занимают 4-е место с долей рынка 14 %. Также доступны для применения композиты: керамика, металлокерамика и пески (1,6 %).

Среди имеющихся материалов для 3D-печати наибольший интерес для авиадвигателестроения представляют металлопорошковые композиции (МПК) - сыпучие материалы, представляющие собой металлические порошки заданного гранулометрического и химического состава с предельным размером частицы до 1,0 мм [32].

Следует отметить, что материал (МПК) является важным элементом АТ, применяемых в авиадвигателестроении. Основным требованием к порошкам для аддитивных технологий является сферическая форма частиц. Это связано с тем, что частицы такой формы наиболее компактно укладываются в определенный объем. Кроме того, сферическая форма частиц обеспечивает минимальное сопротивление в системах подачи материала, т.е. его хорошую текучесть [31].

Порошки весьма условно классифицируют по размеру частиц (по условному диаметру й)), подразделяя их на нанодисперсные (й < 0,001 мкм); ультрадисперсные (й = 0,01...0,1 мкм); высокодисперсные (й = 0,1.. .10 мкм); мелкие (й = 10.40 мкм); средние (й = 40.250 мкм); крупные (й = 250. 1 000 мкм).

К сожалению, в настоящий момент одни и те же порошки разных производителей могут существенно отличаться по качеству. Всё это диктует необходимость совершенствования методов по стандартизации материалов для АМ-технологий. Здесь тоже необходима большая исследовательская работа, поскольку современные методы, применяемые для оценки свойств материалов

Фотополимеры: 39%

г Другие; 1,60%

Металлы; 14%

Филаменты; 20,40%

Полимерные порошки; 25%

Рисунок 1.9 - Объемы материалов для ЗЭ-печати [31]

для традиционных технологий, не могут быть применены к аддитивным технологиям в силу наличия анизотропии, неизбежной при послойном принципе создания изделия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Федоров Максим Михайлович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Федоров, М. М. Особенности применения аддитивных технологий в авиадвигателестроении / Федоров М. М., Федосеев Д. В., Карелин Д. В. // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - 2016. - № 4. - С. 42-44.

2. Федоров, М. М. Разработка замкнутой технологической цепочки изготовления деталей ГТД по аддитивным технологиям // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - 2017. - № 1. - С. 115-118.

3. Башин, К. А. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли / Башин К. А., Торсунов Р. А., Семенов С. В. // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. - 2017. - № 51.

- С. 51-61.

4. Темис, Ю. М. Оптимизация конструкции деталей и узлов ГТД / Темис Ю. М., Якушев Д. А. // Вестник СГАУ. - 2011. - № 3-1. - С. 183-188.

5. Шваб, К. Четвертая промышленная революция / Шваб К. - М.: ЭКСМО, 2016. - 475 с.

6. T. Wohlers. Wohlers report, 2017, No.17, 15-31, 159-162.

7. Прагер, В. Основы теории оптимального проектирования конструкций / В. Прагер. - М.: Мир, 1977. - 110 с.

8. Баничук, Н. В. Введение в оптимизацию конструкций / Н. В Баничук.

- М.: Наука, 1986. - 303 с.

9. Баничук, Н. В. Динамика конструкций. Анализ и оптимизация / Н. В. Баничук, С. Ю. Иванова, А. В. Шаранюк. - М.: Наука, 1989.- 264 с.

10. Баничук, Н. В. Оптимизация форм упругих тел / Н. В. Баничук - М.: Наука, 1980.- 256 с.

11. Троицкий, В. А. Оптимизация формы упругих тел/ В. А. Троицкий, Л. В. Петухов. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 432 с.

12. Почтман, Ю. М. Оптимальное проектирование строительных конструкций./ Ю. М. Почтман, З. И. Пятигорский. - Киев-Донецк: «Вища школа», 1980. - 112 с.

13. Рейтман, М. И. Методы оптимального проектирования деформируемых тел (постановки и способы решения задач оптимизации параметров элементов конструкций) / М. И. Рейтман, Г. С. Шапиро. - М.: Наука, 1976. 258 с.

14. Комаров, В. А. Конструкция и проектирование несущих поверхностей летальных аппаратов. Учебное пособие / В. А. Комаров -Самара: Изд-во СГАУ - 96 с., 2002.

15. Комаров, В. А. Проектирование силовых аддитивных конструкций: теоретические основы / В.А. Комаров // Онтология проектирования. - 2017. -№ 2. - С. 191-206.

16. Комаров, В. А. Точное проектирование / В.А. Комаров // Онтология проектирования, 3 (5), 2012, с. 8 - 23

17. Родионов, А. А. Декомпозиция задачи оптимизации судовых конструкций на базе метода суперэлементов/А. А. Родионов - Труды ЛКИ: Прочность новых типов транспортных судов. 1983, с. 67-71 с.

18. Родионов, А. А. Использование методов оптимизации в расчетном проектировании конструкций. /А. А. Родионов // Судостроение. - 1985. -№ 11. - С. 7-10.

19. Родионов, А. А. Математические методы проектирования оптимальных конструкций судового корпуса. / А. А. Родионов. - Л.: Судостроение, 1990. - 248 с.

20. Боровков, А. И. Компьютерный инжиниринг. - СПб.: Изд-во СПбПУ, 2012. - 93 с.

21. Конотоп, Д. И. Оптимальное проектирование сложных технических объектов с использованием онтологического подхода / Д. И. Конотоп, В. П. Зинченко // Онтология проектирования. - 2011. - № 1. - С. 44-53.

22. Болдырев, А. В. Методика обучения топологическому проектированию конструкций на основе моделей тела переменной плотности. / А. В. Бодырев, М. В. Павельчук // Онтология проектирования - 2016 - Т.6, № 4 (22). С. 501 -513.

23. Bendsoe, M. P Generating Optimal Topologies in Struct Design Using a Homogenization Method/M. P. Bendsoe and N. Kikuchi// Computer Methods in Applied chanics and Engineering, Vol. 71, pp. 197-224, 1988.

24. Queaue, P. Two-dimensional shape optimal design by the finite element method / J. P. Queaui, Ph. Trompette// Internation journal for numerical methods in engineering, vol.15, p. 1603-1612,1980

25. Clausen, P. Non-parametric large scale structural optimization for industrial applications/ Clausen, P. and Pedersen, C.B.W //III ECCM Lisbon, Portugal.June 5-8.

26. Новокшенов, А. Д. Оптимальное проектирование конструкций в интегрированной системе компьютерного инжиниринга: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.18 / Новокшенов Алексей Дмитриевич. - СПб., 2018. - 129 с.

27. The world leading knowledge source for product weight reduction [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://altairenlighten.com, свободный.

28. Toyota Technological Institute [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.toyota-ti.acip,свободный

29. Сегерлинд, Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд - М.: Мир, 1979 -392 с

30. Зенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация/ О. Зенкевич, К. Морган. - М.: «Мир», 1986 - 319 с.

31. ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ [Электронный ресурс]: офиц. сайт. Москва, 2018. URL: https://viam.ru/technology_welding_soldering (дата обращения 20.02.2018).

32. Каблов Е. Н. Аддитивные технологии - доминанта национальной технологической инициативы // Интеллект и технологии. - 2015. - № 2(11). - С. 52 - 55.

33. Kisel V., Gulevich A. Itterbievye tverdotelnye lazernye sistemy [Ytterbium solid-state laser systems] // Fotonika. 2011. №2. S. 20-24.

34. Khomenko M.D., Niz'ev V.G., Miradze F.Kh., Grishaev R.V. Issledovaniya IPLIT RAN po mod- elirovaniyu lazemogo spekaniya metallicheskikh poroshkov [Researches Institute of problems of laser and information technologies of the Russian Academy of Sciences on modeling of laser agglomeration of metal powders] // Additivnye tekhnologii: nastoyashchee i budushchee: sb. dokl. Mezhdunar. nauch. konf. М.: VIAM, 2015. S. 6.

35. Nizev V.G., Miradze F.Kh. Chislennoe modelirovanie lazernogo spekaniya metallicheskikh poroshkov [Numerical modeling of laser agglomeration of metal powders] // Vestnik Rossiyskogo fonda fundamentalnykh issledovaniy. 2014. №3 (83). S. 58-67.

36. Yali Li, Dongdong Gu. Parametric analysis of thermal behavior during selective laser smelting additive manufacturing of aluminum alloy powder // Materials and Design. 2014. Vol. 63. P. 856-867.

37. Metallovedenie i obrabotka tsvetnykh splavov [Metallurgical science and processing of color alloys]: sb. nauch. statey / pod red. A.F. Belova. M.: Nauka, 1992. 230 s.

38. Евгенов А. Г., Лукина Е. А., Королев В. А. Особенности процесса селективного лазерного синтеза применительно к литейным сплавам на основе никеля и интерметаллида Ni3Al // Новости материаловедения. Наука и техника. - 2016. - № 5(23). - С. 3 - 11.

39. Louvis E. et. al. Selective laser melting of aluminium components. Journal of Materials Processing Technology. Department of Engineering, The University of Liverpool, Liverpool L69 3GH, United Kingdom. - 2011. - Vol. 211. - P. 275-284.

40. Oehring M., Bormann R. Int. Symp.on Amorphization by Solid State Reaction. Grenoble // Legresy E de Physique, Colloquia. - 1990. - Vol. 51. - P. 4169.

41. Yasa E. et. al. The investigation of the influence of laser re- melting 011 density, surface quality and microstmcture of selective laser melting parts // Rapid Prototyping Journal. - 2011. - Vol. 17. - Iss: 5. - P. 312-327.

42. Yasa E.. Kruth J. Application of laser re-melting on Selective laser melting parts. Catholic University of Leuven. Dept, of Mech. Eng. He- verlee. Belgium. Advances in Production Engineering & Management 6 (2011) 4, 259-270. Scientific paper [Электронный ресурс]. URL: https://lirias.kuleuven.be.

43. Шишковский И. В. Лазерный синтез функциональных мезоструктур и объемных изделий - М.: Физматлит, 2009. - 424 с..

44. Gladush G.G., Smurov I. // Physics of Laser Materials Processing: Theory and Experiment, Berlin, Springer-Verlag. - 2011. - P. 534.

45. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. Панченко В. Я. - М.: Физматлит. - 2009. - 664 с.

46. Kruth J. P. ,Wang X., Laoui T., Froyen L. Lasers and Materials in Selective Laser sintering. Rapid Prototyping J. - 2003. - V. 23. - РР. 357-371.

47. Kumar S. Selective laser sintering: a qualitative and objective approach. J. Miner. Met. Mater. Soc. - 2003. - V. 55. - РР. 43-47.

48. Agarwala M., Bourell D., Beaman J., Marcus H., Barlow J. Direct Selective Laser Sintering of Metals. Rapid Prototyping J. -1995. - V. 1. - РР. 2626.

49. Das S., Beaman J. J., Wohlert M., Bourell D. L. Direct Laser free form Fabrication of High Performance Metal Components. Rapid Prototyping J. - 1998. - V. 4. - РР. 112-117.

50. Niu H. J., Chang I. T. H. Liquid Phases Sintering of M3/2 High Speed Steel by Selective Laser Sintering. Scr. Mater. - 1998. - V. 3. - РР. 967-972.

51. Mirzade F. Kh., Niziev V. G., Panchenko V. Ya., Khomenko M. D., Grishaev R. , Pityana S., Corney van Rooyen. Kinetic approach in numerical modeling of melting and crystallization at laser cladding with powder injection. Physica B: Condensed Matter.- 2013. - V. 423. - РР. 69-76.

52. Низьев В. Г., Мирзаде Ф. Х. Численное моделирование лазерного спекания металлических порошков // Вестник РФФИ. - 2014. - № 3(83). -С. 58-67.

53. J.-P.Kruth, V.Vandenbroucke, J.VanVaerenberg, P.Mercelis. Benchmarking of different SLM/SLS processes as rapid manufacturing technics. -Int. Conf. Polymers and moulds innovations (PMI), Gent, Belgium, 2005.

54. 3D today [Электронный ресурс]. URL: https: //3dtoday. ru/wiki/ SLM_print/

55. NX 12 for Engineering Design, Missouri University of Science and Technology, 2018.

56. Bendsoe, M. P. Topology Optimization. Theory, Methods and Applications / M. P. Bendsoe, 0. Sigmund - Springer, 2003.

57. Suzuki, K. A Homogenization Method for Shape and Topology Optimization / K. Suzuki and N. Kikuchi // Meth. Appl Mech. and Engr., Vol. 93, pp. 291- 318, 1991.

58. Bendsoe, M. P. Material interpolation schemes in topology optimization / M. P. Bendsoe, 0. Sigmund // Archives of Applied Mechanics, vol. 69(9-10), pp 635654. 1999.

59. Meske, R. Nonparametric gradient-less shape optimization for real-world applications / R. Meske, J. Sauter, E. Schnack // Structural Multidisciplinary Optimization, vol.30, pp 201-218, 2005.

60. Bennett, J. A., Structural shape optimization with geometric description and adaptive mesh generation /Bennett, J. A., Botkin M. E. // AIAA Journal, vol. 23: pp 458-464, 1985

61. Braibant, V. Shape optimal design using B-splines/ V. Braibant, C. Fleury // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering , vol. 44: pp 247-267, 1984.

62. Imam, M.H. Three-dimensional shape optimization/ M.H. Imam // International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 18, pp 661-673, 1982.

63. Zienkiewicz, O. C. Shape optimization and sequentiallinear programming. // In: Optimum structural design: theory and applications. Wiley, London,pp. 109-126, 1973.

64. Mattheck, C. A new method of structural shape optimization based on biological growth/ C. Mattheck, S. Burkardt // International Journal of Fatigue vol. 12: pp 185-190, 1990.

65. Rodrigues H., Fernandes P. A material based model for topology optimization of thermoelas- tic structures. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1995, vol. 38(12), pp. 1951-1965, doi: 10.1002/nme.1620381202.

66. Deng J., Yan J., Cheng G. Multi-objective concurrent topology optimization of thermoelastic structurescomposed of homogeneous porous material. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2013, vol. 47, no. 4, pp. 583-597.

67. Zuo K.T., Chen L.P., Zhang Y.Q., Wang S.T. Structural optimal design of heat conductive body with topology optimization method. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, vol. 41, iss. 4, pp. 13-16.

68. Bendsee M.P., Sigmund O. Topology Optimization — Theory, Methods and Applications. Berlin, Heidelberg, New York, Springer-Verlag, 2002. 370 p. [10] Svanberg K. The method of moving asymptotes — a new method for structural optimiza- tion. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1987, vol. 24, iss. 2, pp. 359-373, doi: 10.1002/nme.1620240207.

69. ГОСТ 25849-83. Порошки металлические. Метод определения формы частиц.

70. ГОСТ 19440-94. Определение насыпной плотности.

71. ГОСТ 23148-98. Порошки, применяемые в порошковой металлургии. Отбор проб.

72. ГОСТ 18318-94. Определение размера частиц сухим просеиванием.

73. ГОСТ 6613-86. Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками.

74. ГОСТ 24104-2001. Весы лабораторные. Общие технические требования

75. Найт Ч. Дж. Теоретическое моделирование быстрого поверхностного испарения при наличии противодавления // Ракетная техника и космонавтика.

- 1979. -№ 5. - С. 81-86.

76. Кривцун И. В., Семенов И. Л., Демченко В. Ф. Численный анализ процессов нагрева и конвективного испарения металла при обработке излучением импульсного лазера // Автоматическая сварка. - 2010. - № 1.

- С. 5-10.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

МЕТОДИКА ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ГТД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SOLID THINKING INSPIRE

Для выполнения оптимизации топологии изготавливаемых деталей создадим объемные модели в их первоначальной конфигурации. На рис. А.1 представлена модель детали «Корпус».

Рисунок А.1 - Исходная геометрия детали «Корпус», подлежащая оптимизации

Следующим шагом выполняем анализ конструкции, содержащей деталь, определяем местоположение прикладываемых нагрузок, связей, контактов и прочее. Затем прикладываем соответствующие силы к оптимизируемой модели, задаем все необходимые ограничения. Модель с приложенными нагрузками и наложенными ограничениями представлена на рисунке А.2.

Рисунок А. 2 - Модель детали с приложенными нагрузками и ограничениями

Далее запускается процесс оптимизации топологии с учетом выбранных критериев оптимизации. Расчеты можно выполнить как с целью минимизации массы конструкции при условии обеспечения заданного коэффициента запаса, так и с целью снижения количества расходуемого материала при соблюдении максимально возможной жесткости. Расчет выполнялся для обеспечения минимальной массы с заданным коэффициентом запаса на уровне 1,5 и варьированием минимальной толщины стенки. Один из примеров результата расчетов детали «Корпус» приведен на рисунке А.3.

Затем конструкция детали была оформлена в соответствии с выбранными наиболее приемлемыми результатами расчета (рис. А.4) и выполнен проверочный расчет на прочность для принятия окончательного решения.

Рисунок А.3 - Пример расчета детали «Корпус»

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

АКТЫ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

конструктор Храмин Р.В. _2020

К- Сатурн»

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Федорова М.М.

«Оптимизация конструкций и условий наплавки деталей и узлов газотурбинных двигателей методом аддитивных технологий», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, в производственном процессе

ПАО «ОДК-Сатурн»

Комиссия в составе: Главный инженер опытного завода Заводов С.А., заместитель главного инженера опытного завода по аддитивным технологиям Федосеев Д.В., главный технолог опытного завода Лохов С.А. составили настоящий акт о том, что алгоритм расчетного определения технологических режимов лазерной наплавки и принципы оптимизации конструкции деталей и узлов ГТД при использовании аддитивных технологий внедрены на промышленной площадке ПАО «ОДК-Сатурн» в

лабораторно-производственном корпусе №790.

Реализация работы позволила снизить себестоимость изготовления деталей на 20-30% за счёт повышения коэффициента использования материала при оптимизированных режимах наплавки. Также результаты работы позволили сократить сроки разработки и внедрения новых конструкций деталей и узлов, за счет оптимизации конструкции и снижения в 3-5 раза трудоемкости механических операций.

СОГЛАСОВАНО

СОГЛАСОВАНО ПАО «ОДК-Сатурн»

СОГЛАСОВАНО ПАО «ОДК-Сатурн»

2020

Акт выдан для представления в диссертационный совет Д 212.210.01 по специальности 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов.

Заведующий кафедрой