ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.1-1/-9
DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-1-82-92
Аннотация
Целью работы является разработка модели для печати лопаток турбин на 3D-принтере, что особенно актуально при изготовлении деталей сложной геометрической формы, испытывающих воздействие значительных статических, динамических, тепловых нагрузок и работающих в агрессивных средах. Большой разброс механических свойств, который может возникнуть в результате недостаточной подготовки к аддитивному изготовлению детали, указывает на необходимость моделирования с целью прогнозирования механических свойств лопатки газотурбинного двигателя. Таким образом, становится очевидно, что применение моделирования механических испытаний и свойств 3D-печатных объектов является необходимым условием изготовления качественных деталей. Основной задачей исследования является разработка модели лопатки газотурбинного двигателя, обладающей достаточной прочностью, устойчивостью к вибрационным нагрузкам, температурным колебаниям, которая при этом будет сохранять траекторию движения в потоке и обладать минимально возможной массой. Построена трехмерная компьютерная модель для печати лопаток газовых турбин на 3D-принтере. Разработано критериальное и алгоритмическое сопровождение процесса печати лопаток турбин на 3D-принтере. Получена модель распределения теплового поля детали при ее изготовлении с использованием программного комплекса Ansys. Моделирование температурного поля необходимо не только для оценки плотности детали и ее сплошности, но и реакции металла изделия на быстрый нагрев и охлаждение. Получена модель напряженно-деформационного состояния в синтезируемом изделии. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными свидетельствует о валидации разработанной модели. Предлагаемый подход к моделированию позволяет спрогнозировать зоны возникновения максимального напряжения, которое может привести к появлению точки возникновения трещины в изделии.
Ключевые слова
лопатка газотурбинного двигателя, аддитивные технологии, оптимизация, моделирование, 3D-печать
Для цитирования
Ерошенко В.О., Малькова М.Ю., Задиранов А.Н., Мещеряков А.В. Разработка модели для печати лопаток турбин на 3D-принтере // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №1. С. 82-92. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2023-21-1-82-92
1. Лехов О.С., Михалев А.В., Билалов Д.Х. Исследование совмещенного процесса получения сортовых заготовок на установке непрерывного литья и деформации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2020. Т. 18. №2. С. 56-61. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2020-18-2-56-61
2. Особенности моделирования высокоэффективной многоступенчатой парокомпрессионной теплонасосной установки / Антипов Ю.А., Шаталова И.И., Шкарин К.В. и др. // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2021. Т. 22. №4. C. 339-347. DOI: 10.22363/2312-8143-2021-22-4-339-347
3. Мамаев В.К., Виноградов Л.В., Ощепков П.П. Мо-делирование решетки профилей транспортного газотурбинного двигателя // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2019. Т. 20. №2. C. 140-146. DOI: 10.22363/2312-8143-2019-20-2-140-146
4. Корнилова А.В., Заяр Ч. Определение допустимых параметров дефектов в базовых деталях кузнечно-прессовых машин // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженер-ные исследования. 2019. Т. 20. №4. C. 308-315. DOI: 10.22363/2312-8143-2019-20-4-308-315
5. Расчетное определение усилия начала пластической деформации при изгибе пальца шарового наружного рулевого наконечника автомобиля посредством моделирования процесса статических испытаний / Гун И.Г., Вахитов А.Р., Столяров Ф.А., Смирнов А.В., Михайловский И.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т. 19. №2. С. 23-31. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-2-23-31
6. Dawoud M., Taha I., and Ebeid S.J. Mechanical behaviour of ABS: An experimental study using FDM and injection moulding techniques // Journal of Manufacturing Processes. 2016, vol. 21, pp. 39-45.
7. Geng L., Wu W., Sun L., Fang D. Damage characteri-zations and simulation of selective laser melting fabri-cated 3D re-entrant lattices based on in-situ CT testing and geometric reconstruction // Int J Mech Sci. 2019, vol. 157-158, pp. 231-242.
8. Iñigo Flores Ituarte, Eric Coatanea, Mika Salmi, Jukka Tuomi, Jouni Partanen, Additive manufacturing in production: a study case applying technical requirements // Physics Procedia. 2015, vol. 78, pp. 357-366.
9. Li C., Denlinger E.R., Gouge M.F., Irwin J.E., Michaleris P. Numerical verification of an Octree mesh coarsening strategy for simulating additive manufacturing processes // Additive Manuf. 2019, vol. 30, no. 3, pp. 100903.
10. Liu J., Sun L., Xu W., Wang Q., Yu S., Sun J. Current advances and future perspectives of 3D-printing natural-derived biopolymers // Carbohyd Polym. 2019, vol. 207, pp. 297-316.
11. Montero M., et al. Material characterization of fused deposition modeling (FDM) ABS by designed experiments // Society of Manufacturing Engineers, 2001, vol. 10 (13552540210441166).
12. Pastor-Artigues M.-M., Roure-Fernández F., Ayneto-Gubert X., Bonada-Bo J., Pérez-Guindal E., Buj-Corral I. Elastic Asymmetry of PLA Material in FDM-Printed Parts: Considerations Concerning Experimental Characterisation for Use in Numerical Simulations // Materials. 2020, vol. 13, no. 1, p. 15.
13. Quan H., Zhang T., Xu H., Luo S., Nie J., Zhu X. Photo-curing 3D printing technique and its challenges // Bioactive Materials. 2020, vol. 5, pp. 110-115.
14. Rodrı́guez J.F., Thomas J.P., and Renaud J.E. Design of Fused-Deposition ABS Components for Stiffness and Strength // Journal of Mechanical Design, 2003, vol. 125, no. 3, pp. 545-551.
15. Sood A.K., Ohdar R.K., and Mahapatra S.S. Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts // Materials & Design, 2010, vol. 31, no. 1, pp. 287-295.
16. Seno T., Ohtake Y., Kikuch I.Y., Saito N., Suzuki H., Nagai Y. 3D scanning based mold correction for planar and cylindrical parts in aluminum die casting // Journal of Computational Design and Engineering. 2015, vol. 2, no. 2, pp. 96-104.
17. Webb B and Doyle B.J. Parameter optimization for 3D bioprinting of hydrogels // Bioprinting. 2017, vol. 8, pp. 8-12.
18. Yao T., Ye J., Deng Z., Zhang K., Ma Y., Ouyang H. Tensile failure strength and separation angle of FDM 3D printing PLA material: experimental and theoretical analyses // Composites. Part B: Engineering. 2020, vol. 188, pp. 107894.
19. Zou R., et al. Isotropic and anisotropic elasticity and yielding of 3D printed material // Composites. Part B: Engineering, 2016, vol. 99, pp. 506-513.
20. Rodríguez-Panes A., Claver J., Camacho M.A. The influence of manufacturing parameters on the mechanical behaviour of PLA and ABS pieces manufactured by FDM: a comparative analysis, materials // J Manuf Mater Process. 2018, vol. 11, p. 64.
21. Petersmann S., Spoerk M., Van De Steene W., Üçal M., Wiener J., Pinter G., Arbeiter F. Mechanical properties of polymeric implant materials produced by extrusion-based additive manufacturing // J Mech Behav Biomed Mater. 2020, vol. 104, p. 103611.
22. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen KTQ, Hui D. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges // Composites. Part B: Engineering. 2018, vol. 143, pp. 172-196.
23. Murr L.E. Frontiers of 3D Printing/Additive Manufacturing: from Human Organs to Aircraft Fabrication // Journal of Materials Science & Technology. 2016, vol. 32, iss. 10, pp. 987-995.
24. Kafara M., Kemnitzer J., Westermann H.H. and Steinhilper R. Influence of Binder Quantity on Dimensional Accuracy and Resilience in 3D-Printing // Procedia Manufacturing. 2018, vol. 21, pp. 638-646.
25. Hu Z., Chen F., Xu J., Nian Q., Line D., Chen C., Zhu X., Chen Y. and Zhang M. 3D printing graphene-aluminum nanocomposites // Journal of Alloys and Compounds. 2018, vol. 746, pp. 269-276.
26. Melenka, G.W., et al. Evaluation and prediction of the tensile properties of continuous fiber-reinforced 3D printed structures // Composite Structures. 2016, vol. 153, pp. 866-875.