Нагрев полупространства движущимся источником теплового лазерного импульса
Авторы
Государственный технический университет имени Ле Куй Дона, 236 ул. Хоанг Куок Вьет, Ханой, Вьетнам
e-mail: kqvn.nguyenlong@gmail.com
Аннотация
В последние годы аддитивные технологии уверенно входят в практику промышленного производства металлических изделий, предлагая широкие возможности для создания деталей сложной формы, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. Наибольшее распространение получили процессы, основанные на использовании концентрированных источников энергии — лазерного и электронно-лучевого нагрева, обеспечивающих высокоточечный локальный нагрев материала с последующим послойным формированием изделия. Аддитивные технологии применяются в таких высокотехнологичных отраслях, как авиация, космонавтика, автомобилестроение, медицина, а также в производстве энергетического и специального оборудования.
Одним из ключевых факторов, определяющих качество получаемых изделий, является температурное поле, возникающее в процессе термического воздействия. Пространственно-временное распределение температуры влияет на скорость охлаждения, формирование микроструктуры, уровень остаточных напряжений, наличие деформаций и трещинообразование. Таким образом, моделирование тепловых процессов представляет собой важный этап в анализе и оптимизации технологий селективного лазерного плавления и других методов послойного выращивания.
В представленной работе рассмотрена трехмерная нестационарная задача теплопроводности с подвижным источником теплового потока, моделирующим лазерное воздействие на поверхность полупространства. Для решения задачи использован принцип суперпозиции и метод функций влияния. Разработан численно-аналитический алгоритм, включающий дискретизацию по времени и пространственным координатам, позволяющий получать точные и устойчивые результаты. Получены распределения температурных полей во времени и пространстве при произвольной траектории движения источника. Эти данные могут быть использованы для оценки тепловых эффектов, возникающих при различных режимах аддитивного производства и для оптимизации технологических параметров
Ключевые слова:
3D печать, выборочное лазерное плавление, аддитивное производство, сосредоточенная нагрузка, подвижная нагрузка, тепловой поток, функция влияния.Список источников
Elham Mirkoohi, James R. Dobbs, Steven Y. Liang. Analytical mechanics modeling of in-process thermal stress distribution in metal additive manufacturing // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 58, P. 41-54. URL: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.08.009
Бабайцев А.В., Рабинский Л.Н., Ян Наинг Мин. Методика оценки остаточных напряжений в образцах из сплава AlSi10Mg, полученных по технологии SLM // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159788.
Штрикман М.М., Кащук Н.М. Определение тепловых напряжений и деформаций при фрикционной сварке трехслойных панелей из алюминиевых сплавов // Труды МАИ. 2011. № 43. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=24728
Babaytsev A.V., Kuznetsova E.L., Rabinskiy L.N., Tushavina O.V. Investigation of permanent strains in nanomodified composites after molding at elevated temperatures // Periodico Tche Quimica. 2020. Vol. 17, No. 34. P. 1055-1065. DOI: 10.52571/PTQ.v17.n34.2020.1087_P34_pgs_1055_1073.pdf
Терещенко Т.С., Орехов А.А. Рабинский Л.Н. Исследование статических и динамических физико-механических характеристик стали, изготовленной методом послойного лазерного спекания // Труды МАИ. 2025. № 140. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=184051
Чумаков Д.М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=53682
Babaytsev A., Dobryanskiy V., Solyaev Y. Optimization of Thermal Protection Panels Subjected to Intense Heating and Mechanical Loading // Lobachevskii Journal of of Mathematics. 2019. Vol. 40, No. 7. P. 887–895. URL: https://doi.org/10.1134/S1995080219070059
Tushavina O.V. Coupled heat transfer between a viscous shock gasdynamic layer and a transversely streamlined anisotropic half-space // INCAS Bulletin. 2020. 12 (Special Issue). P. 211-220. DOI: 10.13111/2066-8201.2020.12.S.20
Pronina P.F., Sun Y., Tushavina O.V. Mathematical modelling of high-intensity heat flux on the elements of heat-shielding composite materials of a spacecraft // Journal of Applied Engineering Science. 2020. Vol. 18 (4), P. 693-698. DOI: 10.5937/jaes0-28086
Tarlakovskiy D.V., Fedotenkov G.V. Analytic investigation of features of stresses in plane nonstationary contact problems with moving boundaries // Journal of Mathematical Sciences. 2009. Vol. 162 (2), P. 246-253. DOI: 10.1007/s10958-009-9635-4
Лебёдкин И.Ф., Молотков А.А., Третьякова О.Н. Математическое моделирование сложного теплообмена при разработке лазерных SLM технологий // Труды МАИ. 2018. No 101. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=97045
Dobryanskiy V.N., Fedotenkov G.V., Orekhov A.A., Rabinskiy L.N. Generalized Unsteady Thermal Conductivity in a Half-Space // Lobachevskii Journal of Mathematics. 2023. No. 44. P. 4429–4437. DOI: 10.1134/S1995080223100086
Kruth J-P, Deckers J, Yasa E, Wauthlé R. Assessing and comparing influencing factors of residual stresses in selective laser melting using a novel analysis method Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B // Journal of Engineering Manufacture. 2012. Vol. 226 (6), P. 980-991. DOI: 10.1177/0954405412437085
Fergani O., Berto F., Welo T., Liang S.Y. Analytical modelling of residual stress in additive manufacturing // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2017. Vol. 40 (6), P. 971–978. URL: https://doi.org/10.1111/ffe.12560
Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.: Наука, 1964. - 487 с.
Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.
Mikhailova E.Yu., Fedotenkov G.V., Tarlakovskii D.V. Impact of Transient Pressure on a Half-Space with Membrane Type Coating // Structural Integrity. 2020. No. 16. P. 312-315. DOI: 10.1007/978-3-030-47883-4_56
Fedotenkov G.V., Tarlakovskii D.V. Non-stationary Contact Problems for Thin Shells and Solids // Structural Integrity. 2020. No. 16. P. 287-292. DOI: 10.1007/978-3-030-47883-4_51
Okonechnikov A.S., Tarlakovsky D.V., Fedotenkov, G.V. Spatial non-stationary contact problem for a cylindrical shell and absolutely rigid body // Mechanics of Solids. 2020. No. 55 (3). P. 366-376. DOI: 10.3103/S0025654420030127
Fedotenkov G.V., Mikhailova E.Yu., Kuznetsova E.L., Rabinskiy L.N. Modeling the unsteady contact of spherical shell made with applying the additive technologies with the perfectly rigid stamp // International Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. No. 111 (2). P. 331-342. DOI: 10.12732/ijpam.v111i2.16
Igumnov L.A., Okonechnikov A.S., Tarlakovskii D.V., Fedotenkov G.V. Plane Nonstationary Problem of Motion of the Surface Load Over an Elastic Half Space // Journal of Mathematical Sciences. 2014. No. 203 (2). P. 193-201. DOI: 10.1007/s10958-014-2100-z
Скачать статью