Учет остаточных напряжений при расчетах прочности элементов замковых соединений. Часть 1. Моделирование дробеструйной обработки

Для увеличения ресурса ответственных деталей современных газотурбинных двигателей и установок наземного применения используют упрочняющую дробеструйную обработку. В настоящее время выбор рациональных режимов дробеструйной обработки осуществляется на основе эмпирических методов. В данной статье, представленной в двух частях, предложена расчетная методика оценки влияния режима дробеструйного упрочнения на напряженно-деформированное состояние элементов замковых соединений при их эксплуатации. В первой части статьи приведено описание разработанного метода расчета поля остаточных напряжений и наклепа, наведенных в ходе дробеструйной обработки, на основе конечно-элементного моделирования последовательного внедрения микрошариков на малом участке упрочняемого материала в упругопластической постановке. Особенностью метода является универсальность по отношению к технологическим параметрам обработки и свойствам упрочняемой детали: структура метода обеспечивает автоматическую реконфигурацию расчетной конечно-элементной модели в зависимости от исходных данных. С помощью предложенного подхода получены эпюры компонент остаточных напряжений и эквивалентной пластической деформации. Представлены результаты расчета поля остаточных напряжений, наведенных в процессе дробеструйной обработки, в поверхностном слое детали из никелевого сплава. Проведен анализ влияния режимов дробеструйного упрочнения на эпюры компонент остаточных напряжений и наклепа. Результаты моделирования поля остаточных напряжений с использованием предложенного метода могут быть применены для задания начального напряженно-деформированного состояния при анализе статической и усталостной прочности деталей газотурбинных двигателей.

Литература

[1] Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. Москва, Машиностроение, 1993. 240 c.

[2] Almen J.O., Black P.H. Residual stresses and fatigue in metals. McGraw-Hill, 1963. 12 p.

[3] Prevey P.S. The measurement of subsurface residual stress and cold work distributions in nickel base alloys. Residual Stress in Design, Process and Materials Selection, ASM, Metals Park, OH, 1987, pp. 11–19.

[4] Ezeilo A., Webster G., Webster P.J., Webster P.S. Comparison of shot peening residual stress distributions in a selection of materials. 5th International Conference on Shot Peening, Oxford, UK, Sept. 1993, pp. 13–17.

[5] Shaw M.C., DeSalvo G.J. On the plastic flow beneath a blunt axisymmetric indenter. Journal of Engineering for Industry, 1970, vol. 92, no. 2, pp. 480–492, doi: 10.1115/1.3427786

[6] Johnson W. Impact strength of materials. Edward Arnold, 1972. 361 p.

[7] Schiffner K., Droste Gen Helling C. Simulation of residual stresses by shot peening. Computers & structures, 1999, vol. 72, no. 1, pp. 329–340, doi: 10.1016/S0045-7949(99)00012-7

[8] Ikushima K., Shibahara M., Akita K., Suzuki H., Morooka S., Nishikawa S., Furukawa T. Numerical analysis of residual stress distribution on peening process. Welding in the World, 2017, vol. 61, no. 3, pp. 517–527, doi: 10.1007/s40194-017-0430-4

[9] Wang T., Platts M.J., Levers A. A process model for shot peen forming. Journal of Materials Processing Technology, 2006, vol. 172, no. 2, pp. 159–162, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2005.09.006

[10] Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C., Daly J. Three-dimensional dynamic finite element analysis of shot-peening induced residual stresses. Finite elements in analysis and design, 1999, vol. 31, no. 3, pp. 179–191, doi: 10.1016/S0168-874X(98)00057-2

[11] Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C. Development and validation of novel FE models for 3D analysis of peening of strain-rate sensitive materials. Journal of Engineering Materials and Technology, 2007, vol. 129, no. 2, pp. 271–283, doi: 10.1115/1.2712469

[12] Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C. 3D FE analysis of peening of strain-rate sensitive materials using multiple impingement model. International Journal of Impact Engineering, 2002, vol. 27, no. 2, pp. 119–134, doi: 10.1016/S0734-743X(01)00043-4

[13] Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C., Liew K.M., Ong L.S. Relaxation of peening residual stresses due to cyclic thermo-mechanical overload. Journal of engineering materials and technology, 2005, vol. 127, no. 2, pp. 170–178, doi: 10.1115/1.1867986

[14] Meguid S.A., Maricic L.A. Finite Element Modeling of Shot Peening Residual Stress Relaxation in Turbine Disk Assemblies. Journal of Engineering Materials and Technology, 2015, vol. 137, no. 3, pp. 031003, doi: 10.1115/1.4030066

[15] Kim T., Lee J.H., Lee H., Cheong S.-k. An area-average approach to peening residual stress under multi-impacts using a three-dimensional symmetry-cell finite element model with plastic shots. Materials & Design, 2010, vol. 31, no. 1, pp. 50–59, doi: 10.1016/j.matdes.2009.07.032

[16] Schwarzer J., Schulze V., Vöhringer O. Evaluation of the influence of shot peening parameters on residual stress profiles using finite element simulation. Materials Science Forum, 2003, vol. 426, pp. 3951–3956.

[17] Miao H.Y., Larose S., Perron C., Lévesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening. Advances in Engineering Software, 2009, vol. 40, no. 10, pp. 1023–1038, doi: 10.1016/j.advengsoft.2009.03.013

[18] Miao H.Y., Larose S., Perron C., Lévesque M. Numerical simulation of the stress peen forming process and experimental validation. Advances in Engineering Software, 2011, vol. 42, no. 11, pp. 963–975, doi: 10.1016/j.advengsoft.2011.05.025

[19] Pham T.Q., Khun N.W., Butler D.L. New approach to estimate coverage parameter in 3D FEM shot peening simulation. Surface Engineering, 2017, vol. 33(9), pp. 687–695, doi: 10.1080/02670844.2016.1274536

[20] Labeas G., Rodopoulos C.A., Spinner D. Relating shot peening process parameters to residual stresses – a computational/stochastic marriage. Electronic Incorporated-The Shot Peener-Shot Peening Library, 2008, vol. 22, pp. 1–15. URL: https://www.shotpeener.com/library/pdf/2008012.pdf (accessed 05 August 2018).

[21] Mylonas G.I., Labeas G. Numerical modelling of shot peening process and corresponding products: residual stress, surface roughness and cold work prediction. Surface and Coatings Technology, 2011, vol. 205, no. 19, pp. 4480–4494, doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.03.080

[22] Мифтахов А.А., Мазеин П.Г. Моделирование остаточных напряжений при гидродробеструйной обработке. Известия Челябинского научного центра УрО РАН, 2006, № 4, c. 129–133.

[23] Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures. Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics, 1983, vol. 21, no. 1, pp. 541–547.

[24] Joshi D.R. Finite Element Simulation of Machining a Nickel-based Superalloy-Inconel 718. Degree of master of science. Oklahoma State University, 2004. 128 p.

[25] Bathe K.J. Finite element procedures. Pearson Education. 2006. 1043 p.

[26] Hallquist J.O. LS-DYNA keyword user’s manual. Livermore Software Technology Corporation, vol. 970. 2007.

[27] Саверин М.М. Дробеструйный наклеп. Москва, Машгиз, 1955. 312 с.