ИСТИНА

Аддитивные технологии изготовления элементов конструкций появились в 80-х годах прошлого века. Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования (CAD), моделирования и расчетов (CAE) и механообработки (CAM) стимулировало интенсивное развитие этих технологий. Применение аддитивных технологий может быть целесообразно при изготовлении уникальных и мелкосерийных изделий, технологической оснастки в различных отраслях промышленности, в том числе авиационной промышленности, космической индустрии, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей. Свойства материала изделия, изготовленного с помощью аддитивных технологий, могут существенно отличаться от исходных свойств этого материала. В наибольшей степени это относится к изделиям из металлов. При их изготовлении с помощью аддитивных технологий в качестве сырья используется металлический порошок, частицы которого спекаются в процессе изготовления. Кроме того, при изготовлении таких изделий их части подвергаются локальным воздействиям высоких температур, что приводит к значительным температурным деформациям. В результате материал изделия может оказаться пористым, т.е. структурно-неоднородным, и при этом в нем возникают остаточные напряжения и деформации, которые могут быть конечными (не малыми). Кроме того, большие локальные температурные деформации могут привести к потере устойчивости изделия в процессе его изготовления. Поэтому прочностные свойства изделий, изготовленных с помощью аддитивных технологий, существенно зависят от особенностей технологии их изготовления. Оценка прочностных свойств таких изделий, в особенности металлических изделий, представляет собой нетривиальную научную задачу. В результате данного исследования будут разработаны алгоритмы и прототип программного обеспечения на их основе (интегрируемый с отечественной системой прочностного инженерного анализа CAE Fidesys) для трехмерного моделирование процессов аддитивного производства на основе метода спектральных элементов на неконформных сетках с целью минимизации искажения итоговой формы изделия. Стандартный подход к математическому моделированию данных процессов заключается в использовании так называемой воксельной модели изделия, состоящей из одинаковых элементарных ячеек (вокселей) и представляющей собой декартову сетку с постоянным шагом разбиения. Размер вокселя, как правило, определяется размерами зоны локального интенсивного воздействия лазерного луча, например, в процессе селективного лазерного спекания, и может быть достаточно малым в сравнении с размерами самого изделия, изготавливаемого методами трехмерной печати. В итоге воксельная модель может содержать сотни миллионов вокселей, что затрудняет проведение прочностного анализа данной модели. В рамках настоящего исследования планируется разработать алгоритм и его программную реализацию для прочностного анализа трехмерной детали в процессе ее изготовления методами аддитивного производства на неконформных сетках, позволяющих сократить общее количество элементов в расчетной области за счет разгрубления сетки по мере удаления от области воздействия лазерного луча. Для определения анизотропных свойств неоднородного материала, возникшего в результате лазерного спекания на микроуровне, будет использоваться метод оценки эффективных свойств неоднородных материалов с начальными преднапряжениями.

Additive technologies for the manufacture of structural elements appeared in the 1980s. The widespread use of digital technologies in the field of CAD, modeling and calculation (CAE) and machining (CAM) has stimulated the intensive development of these technologies. The use of additive technologies can be useful in the manufacture of unique and small-batch products, technological equipment in various industries, including the aviation industry, the space industry, power engineering and a number of other industries. The properties of the material of the product made with the help of additive technologies may differ significantly from the initial properties of this material. This applies most to metal products. When they are manufactured using additive technologies, a metal powder is used as the raw material, the particles of which are sintered during the manufacturing process. In addition, in the manufacture of such products, their parts are exposed to local influences of high temperatures, which leads to significant temperature deformations. As a result, the material of the product may be porous, i.e. structurally inhomogeneous, and in this case residual stresses and strains arise which may be finite (not small). In addition, large local temperature deformations can lead to loss of stability of the product during its manufacture. Therefore, the strength properties of products manufactured with the help of additive technologies, essentially depend on the features of the technology of their manufacture. The evaluation of the strength properties of such products, especially of metal products, is a non-trivial scientific task. As a result of this research, algorithms and a prototype of software based on them (integrated with CAE Fidesys) will be developed for 3D modeling of additive production processes based on the method of spectral elements on non-conformal grids in order to minimize the distortion of the final shape of the product. The standard approach to mathematical modeling of these processes is to use the so-called voxel model of the product, consisting of the same elementary cells (voxels) and representing a Cartesian grid with a constant partitioning step. The size of the voxel, as a rule, is determined by the size of the zone of local intense laser beam impact, for example, in the process of selective laser sintering, and can be small enough in comparison with the dimensions of the product itself produced by 3D printing methods. As a result, the voxel model can contain hundreds of millions of voxels, which makes it difficult to perform strength analysis of this model. Within the framework of the present study, it is planned to develop an algorithm and its software implementation for the strength analysis of a three-dimensional part in the process of its manufacturing by additive production methods on nonconformal grids, which allow to reduce the total number of elements in the calculation area due to the mesh coarsening as far as distance from the laser beam impact area. In order to determine the anisotropic properties of the inhomogeneous material that arose as a result of laser sintering at the micro level, an upscaling method will be used to evaluate the effective properties of inhomogeneous materials with initial pre-stresses.

В результате данного исследования будут разработаны алгоритмы и прототип программного обеспечения на их основе (интегрируемый с отечественной системой прочностного инженерного анализа CAE Fidesys) для трехмерного моделирование процессов аддитивного производства на основе метода спектральных элементов на неконформных сетках с целью минимизации искажения итоговой формы изделия. Стандартный подход к математическому моделированию данных процессов заключается в использовании так называемой воксельной модели изделия, состоящей из одинаковых элементарных ячеек (вокселей) и представляющей собой декартову сетку с постоянным шагом разбиения. Размер вокселя, как правило, определяется размерами зоны локального интенсивного воздействия лазерного луча, например, в процессе селективного лазерного спекания, и может быть достаточно малым в сравнении с размерами самого изделия, изготавливаемого методами трехмерной печати. В итоге воксельная модель может содержать сотни миллионов вокселей, что затрудняет проведение прочностного анализа данной модели. В рамках настоящего исследования планируется разработать алгоритм и его программную реализацию для прочностного анализа трехмерной детали в процессе ее изготовления методами аддитивного производства на неконформных сетках, позволяющих сократить общее количество элементов в расчетной области за счет разгрубления сетки по мере удаления от области воздействия лазерного луча. Для определения анизотропных свойств неоднородного материала, возникшего в результате лазерного спекания на микроуровне, будет использоваться метод оценки эффективных свойств неоднородных материалов с начальными преднапряжениями. Таким образом, основным научным результатом данного исследования является существенное ускорение и оптимизация процесса разработки материалов получаемых при использовании аддитивных технологий с заданными физико-механическими свойствами за счет многомасштабного физического моделирования и повышения эффективности использования современных высокопроизводительных вычислительных систем для компьютерного моделирования и проектирования новых материалов. Разработанная методика должна позволять эффективно решать прикладные задачи материаловедения на имеющихся параллельных вычислительных платформах – как на стандартных высокопроизводительных вычислительных системах, так и на СуперЭВМ. Основная идея многомасштабного моделирования, которую предлагается описать в рамках единой методики компьютерного моделирования, заключается в разработке физико-механических моделей, позволяющих использовать результаты многомасштабного моделирования термомеханических свойств материалов получаемых при использовании аддитивных технологий для анализа макроскопических прочностных свойств изделия аддитивного производства методами механики сплошных сред (методом спектральных элементов).

Монографии: 1. Левин В. А., Вершинин А. В. Численные методы. Параллельные вычисления на ЭВМ Т.2 (Нелинейная вычислительная механика прочности. Цикл монографий в 5 томах под. ред. В.А. Левина). — Издательство Физматлит, Москва, 2015. — 544 с. 2. Морозов Е. М., Левин В. А., Вершинин А. В. Прочностной анализ. Фидесис в руках инженера. — ИЗДАТЕЛЬСКАЯ ГРУППА URSS Москва, 2015. — 408 с. 3. В. А. Левин, В. В. Калинин, К. М. Зингерман, А. В. Вершинин. Развитие дефектов при конечных деформациях. Компьютерное и физическое моделирование. — Издательство Физматлит, Москва, 2007. — 392 с. Публикации в научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science, Scopus, RSCI: 1. V. A. Levin, I. I. Vdodichenko, A. V. Vershinin, M. Y. Yakovlev, K. M. Zingerman. An approach to the computation of effective strength characteristics of porous materials. Letters on materials, 7(4), p. 452–454, 2017. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-4-452-454. Quartile: Q3. 2. Dmitriy Konovalov, Anatoly Vershinin, Konstantin Zingerman, Vladimir Levin. The implementation of spectral element method in a cae system for the solution of elasticity problems on hybrid curvilinear meshes. Modelling and Simulation in Engineering, 2017, p. 1–7, 2017. DOI:10.1155/2017/1797561. Quartile: Q3. 3. Zingerman K. M., Vershinin A. V., Levin V. A. An approach for verification of finite-element analysis in nonlinear elasticity under large strains // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. — 2016. — Vol. 158. —012104. DOI: 10.1088/1757-899x/158/1/012104 4. Petrovskiy K. A., Vershinin A. V., Levin V. A. Application of spectral elements method to calculation of stress-strain state of anisotropic laminated shells // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. — 2016. — Vol. 158. — 012077. DOI: 10.1088/1757-899x/158/1/012077

Практическая реализация результатов исследования планируется путем интеграции разработанного программного модуля для трехмерного моделирования процессов аддитивного производства на основе метода спектральных элементов на неконформных сетках с отечественной промышленной системой прочностного инженерного анализа CAE Fidesys (www.cae-fidesys.com), обладающей гибко настраиваемым графическим интерфейсом пользователя препроцессора и постропроцессора системы, возможностью автоматизации задания модели и проведения расчетов путем разработки соответствующих скриптов на Python, а также широкими возможностями по построению неструктурированных расчетных сеток из элементов различного вида, включая неконформные сетки в подобластях модели. Разработанное ПО будет содержать реализацию эффективных алгоритмов многоуровневого моделирования термомеханических свойств материалов получаемых при использовании аддитивных технологий за счет многомасштабного физического моделирования и повышения эффективности использования современных высокопроизводительных вычислительных систем для компьютерного моделирования и проектирования новых материалов. На базе разработанной интеграции с CAE Fidesys могут быть проведены численные эксперименты на СуперЭВМ, подтверждающие ее эффективность и масштабируемость задачи на кластере. Полученные в рамках исследования результаты могут быть использованы в дальнейшем для: - Построение математических (ММ) и имитационных (ИМ) моделей аддитивного производства, адаптация их к различным материалам и технологиям печати; - Повышение физико-механических и технологических свойств материалов, определяющих прочность, стойкость, надежность и долговечность изделия аддитивного производства; - Поиск нетрадиционных путей создания, получения, обработки и диагностики состояния материалов, открывающих новые перспективы качественного роста технических систем. Разработанные алгоритмы и ПО позволят также оценивать влияние технологических параметров аддитивного производства (направление печати, расположение поддержек, свойства материала) на прочностные характеристики полученных изделий, обеспечат возможность проектирования изделий и элементов конструкций из них учетом особенностей способа их производства с использованием аддитивных технологий, что в свою очередь позволит: 1. сократить время проектирования; 2. значительно уменьшить количество натурных экспериментов, что будет способствовать, в частности, снижению издержек по расходным материалам; 3. уменьшить массу изделий (при необходимости) за счет более точного определения параметров, влияющих на оценку коэффициента запаса прочности; 4. более обоснованно и детально проектировать критические с точки зрения прочности части изделия благодаря использованию расчетной оценки формы концентраторов напряжений; 5. оценивать эксплуатационные характеристики и ресурс изделия; 6. моделировать изменение характеристик изделия при закритических сценариях нагружения. Потенциальными потребителями результатов исследования могут являться: - научные, проектные и технологические организации, осуществляющие разработку новых материалов и технологий трехмерной печати; - проектные, технологические и конструкторские организации, осуществляющие разработку новой техники различного назначения; - промышленные предприятия, занимающиеся как производством конструкционных, функциональных, гибридных материалов, покрытий, так и выпуском конечного продукта – изделий из данных материалов. - преподаватели, аспиранты и студенты вузов, научные интересы которых лежат в области материаловедения, строительства, машиностроения.