Новая модель поможет точно определять срок службы деталей самолетов
Ученые из Института автоматизации проектирования РАН и Московского физико-технического института смоделировали структуру и процесс разрушения легких сплавов. Модель позволит определять межремонтный интервал авиационного оборудования и оптимизировать производство комплектующих, что повысит безопасность полетов.
Результаты работы опубликованы в журнале «Вычислительная механика сплошных сред». Литье, сварку, обработку металлов давлением и механообработку широко применяют в промышленности. Методы проверены временем, но изготовить с их помощью детали сложной геометрической формы весьма проблематично. Особые трудности вызывает выпуск тонкостенных изделий с внутренними полостями.
Решить эту проблему машиностроения позволяет селективное лазерное плавление. Его реализацию начинают с построения трехмерной модели детали в системе автоматизированного проектирования. Затем в 3D-принтере лазерным лучом послойно сплавляют частицы порошка, согласно модели. Процесс ведут в инертном газе. При необходимости поверхность детали дополнительно обрабатывают.
При всех неоспоримых преимуществах технологии, материал из сплавленных частиц имеет поры. Их наличие сокращает срок службы изделий. Чтобы определить межремонтный интервал оборудования, нужно знать усталостную прочность, то есть число циклических нагрузок с определенным напряжением, которые выдерживает материал. На сегодняшний день не существует методов оценки усталостной прочности материалов, полученных селективным лазерным плавлением.
По этой причине ученые из ИАП РАН и МФТИ разработали модель плавления порошка под действием лазерного излучения (рисунок 1). В ее основе лежит уравнение изменения во времени теплосодержания системы. При вычислениях они учли следующие параметры процесса: мощность лазера, скорость движения лазерного луча, степень перекрытия сплавляемых слоев и возможное парообразование при сильном нагреве. Результатом моделирования стало математическое описание структуры затвердевших слоев металла. Особое внимание было уделено наличию структурных дефектов.
Чтобы проверить точность модели, ученые изготовили алюминиевый образец методом селективного лазерного плавления и рассмотрели его под оптическим микроскопом. После чего они смоделировали структуру образца при этих же условиях получения. В ходе сопоставления расчетных и опытных данных было установлено их соответствие (рисунок 2).
Моделирование структурных дефектов титанового сплава показало, что при высокой скорости лазерного луча остаются участки с нерасплавленным порошком. С замедлением движения лазера, наоборот, появляются области переплавления материала. Многократный переход вещества из жидкого состояния в твердое вызывают процессы формирования соседних слоев. Следовательно, в зависимости от режима селективного лазерного плавления образуется материал с непроплавленными либо переплавленными участками, расположенными послойно (рисунок 3). Такие локальные дефекты занимают до 30–40% от линейного размера слоя.
На непроплавленных участках размером около 100 мкм часть вещества замещена порой, а оплавленные частицы слабо связаны друг с другом и с окружающим их сплошным материалом. Из-за этого непроплавы имеют значительно меньший модуль упругости, чем бездефектные области. Иными словами, непроплавы сильнее подвержены упругой деформации и становятся центрами зарождения усталостных трещин и каверн (рисунок 4).
В переплавах, благодаря длительному тепловому воздействию, образуются крупные зерна с иным фазовым составом (рисунок 5). Их появление увеличивает микротвердость и модуль упругости переплавов на 10–15% по сравнению с бездефектными областями.
«Мы разработали алгоритмы вычисления усталостной прочности и долговечности образцов, изготовленных методом селективного лазерного плавления, — пояснил Василий Голубев, профессор кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ.— Предложенные решения позволят определить диапазон параметров ведения процесса, при котором уровень усталостной прочности будет наилучшим».
Результаты работы математиков будут использованы для оптимизации производства авиационных комплектующих.
Исследование выполнено в рамках проекта РНФ.
Telegram 
Дзен 
VK Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Астробиологи с помощью сложных трехмерных климатических моделей доказали, что растительная жизнь на Земле способна просуществовать еще около 1,8 миллиарда лет. Это значительно дольше, чем предсказывали предыдущие расчеты.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно