Cybernetics And Systems Analysis logo
Інформація редакції Аннотації статей Автори Архів
Кібернетика та Системний Аналіз
Міжнародний Науково-Теоретичний Журнал
Том 60 >>> № 3 ТРАВЕНЬ — ЧЕРВЕНЬ 2024
-->

DOI 10.34229/KCA2522-9664.24.3.9
УДК 519.85

Ю. СТОЯН
Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, Україна,  yustoyan19@gmail.com

О. ПАНКРАТОВ
Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, Україна,  pankratov2001@yahoo.com

І. ЛЕМІШКА
Національний університет «Львівська політехніка», Львів, Україна,
 mzihor@ukr.net

З. ДУРЯГІНА
Національний університет «Львівська політехніка», Львів, Україна,
 zduriagina@gmail.com

Дж. БЕННЕЛЛ
Університет Лідса, Лідс, Англія,  J.Bennell@leeds.ac.uk

Т. РОМАНОВА
Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України; Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, Україна; Університет Лідса, Лідс, Англія,  tarom27@yahoo.com

П. СТЕЦЮК
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Київ, Україна,
 stetsyukp@gmail.com


МОДЕЛЮВАННЯ ЗАПОВНЕННЯ 3D-ОБ’ЄМУ НЕСФЕРИЧНИМИ
ТА СФЕРИЧНИМИ ЧАСТИНКАМИ ПОРОШКУ ТИТАНОВИХ
СПЛАВІВ ДЛЯ АДИТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА

Анотація. Розроблено підхід до моделювання пошарового заповнення певного 3D-об’єму з комбінуванням несферичних та сферичних частинок порошку різного фракційного складу. Побудовано математичну модель задачі пакування регулярних та нерегулярних об’єктів, що вільно рухаються, із застосуванням методу phi -функцій. Запропоновано евристичний алгоритм, який використовує нелінійну оптимізацію для обчислення коефіцієнта щільності пакування/поруватості. Виконано порівняння результатів числового моделювання з експериментальними даними, отриманими для суміші сферичних та поліедральних порошків титанових сплавів. Встановлено, що відсоткове співвідношення частинок порошку в межах досліджуваної фракції, отримане за допомогою розробленого алгоритму, з високою точністю відповідає експериментальним результатам. Це дає змогу використовувати результати числового моделювання замість дорогих експериментальних досліджень. Застосування математичних моделей в адитивному виробництві дає можливість підвищити ефективність кожного етапу технологічного процесу, зменшити кількість бракованих виробів, раціонально планувати розхід енергетичних і матеріальних ресурсів.

Ключові слова: пакування, сферичні та несферичні частинки, 3D-об’єм, математичне моделювання, нелінійна оптимізація, адитивне виробництво.


повний текст

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Abdullah A., Mustafa S., Fawaz M.A., Abdulrahman M. Al-A. Design for additive manufacturing: A systematic review. Sustainability. 2020. Vol. 12(19), 7936. https://doi.org/10.3390/su12197936.

  2. Zhou J., Zhang Y., Chen J.K. Numerical simulation of random packing of spherical particles for powder-based additive manufacturing. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2009. Vol. 131, Iss. 3. Article number 031004. https://doi.org/10.1115/1.3123324.

  3. Meier C., Penny R., Zou Y., Gibbs J., Hart A.J. Thermophysical phenomena in metal additive manufacturing by selective laser melting: fundamentals, modeling, simulation and experimentation. Annual Reviews of Heat Transfer. 2018. Vol. 20, Iss. 1. P. 59. https://doi.org/10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2018019042.

  4. Markl M., Krner C. Multiscale modeling of powder bed-based additive manufacturing. Annual Review of Materials Research. 2016. Vol. 46. P. 93–123. https://doi.org/10.1146/ annurev-matsci-070115-032158.

  5. Zhang J., Jung Y.-G. Additive Manufacturing: Materials, Processes, Quantifications and Applications. Butterworth Heinemann, 2018. 352 p. https://doi.org/10.1016/C2016-0-01595-4.

  6. Zhang W., Attar H. Additive manufacturing of high-performance materials. Springer, 2021.

  7. Овчинников О.В., Дурягіна З.А., Романова Т.Є., Лемішка І.А., Панкратов А.В., Кулик В.В., Басов Ю.Ф., Хазнаферов М.В. Порошкові титанові сплави для адитивних технологій: структура, властивості, моделювання. Київ: Наукова думка, 2021. 196 с.

  8. Zhao Z., Li L., Tan L., Bai P., Li J., Wu L., Liao H., Cheng Y. Simulation of stress field during the selective laser melting process of the nickel-based superalloy. Materials. 2018. Vol. 11, Iss. 9. Article number 1525. .

  9. Gebhardt A. Understanding Additive Manufacturing: Rapid Prototyping, Rapid Tooling. Rapid Manufacturing. 2nd ed. Mьnchen: Carl Hanser Verlag, 2017. 161 p.

  10. Chen J., Hou W., Wang X., Chu S., Yang Z. Microstructure, porosity and mechanical properties of selective laser melted AlSi10Mg. Chinese Journal of Aeronautics. 2020. Vol. 33, Iss. 7. P. 2043–2054. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.08.017.

  11. Svyetlichnyy D. Model of the selective laser melting process-powder deposition models in multistage multi-material simulations. Appl. Sci. 2023. Vol. 13, Iss. 10. Article number 6196. https://doi.org/10.3390/app13106196.

  12. Hifi M., Mohamed-Youssouf A., Yousef L. A threshold search-based population algorithm for the sphere packing problem. Knowledge-Based Systems. 2023. Vol. 261. Article number 110177. https://doi.org/10.1016/j.knosys.2022.110177.

  13. Romanova T.E., Stetsyuk P.I., Fischer A., Yaskov G.M. Proportional packing of circles in a circular container. Cybernetics and Systems Analysis. 2023. Vol. 59, N 1. P. 82–89. https://doi.org/10.1007/s10559-023-00544-8.

  14. M’Hallah R., Alkandari A., Mladenovic N. Packing unit spheres into the smallest sphere using VNS and NLP. Computers & Operations Research. 2013. Vol. 40, Iss. 2. P. 603–615. https://doi.org/10.1016/j.cor.2012.08.019.

  15. Zhao B., An X., Wang Y., Zhao H., Shen L., Sun X., Zou R. Packing of different shaped tetrahedral particles: DEM simulation and experimental study. Powder Technology. 2020. Vol. 360. P. 21–32. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.072.

  16. Zhao B., An X., Zhao H., Gou D., Shen L., Sun X. DEM simulation on random packings of binary tetrahedron-sphere mixtures. Powder Technology. 2020. Vol. 361. P. 160–170. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.055.

  17. Li J., An X., Wang J., Zhao H., Zou R., Dong K., Gou D. Experimental study on 3D vibrated packing densification of mono-sized dodecahedral particles. Powder Technology. 2020. Vol. 367. P. 703–712. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.020.

  18. Araujo L.J.P., Ozcan E., Atkin J.A.D., Baumers M. Analysis of irregular three-dimensional packing problems in additive manufacturing: A new taxonomy and dataset. International Journal of Production Research. 2019. Vol. 57, Iss. 18. P. 5920–5934. https://doi.org/10.1080/ 00207543.2018.1534016.

  19. Kiseleva E.M. The emergence and formation of the theory of optimal set partitioning for sets of the n-dimensional euclidean space. Theory and application. Journal of Automation and Information Sciences. 2018. Vol. 50, Iss. 9. 1–24.

  20. Romanova T., Litvinchev I., Pankratov A. Packing ellipsoids in an optimized cylinder. European Journal of Operational Research. 2020. Vol. 285, Iss. 2. 429–443. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2020.01.051.

  21. Kallrath J. Cutting and packing beyond and within mathematical programming. In: Business Optimisation Using Mathematical Programming. 2nd ed. Cham: Springer, 2021. P 495–526. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-73237-0.

  22. Duriagina Z., Lemishka I., Trostianchyn A., Kulyk V., Shvachko S., Tepla T., Pleshakov E., Kovbasyuk T. The effect of morphology and particle-size distribution of VT20 titanium alloy powders on the mechanical properties of deposited coatings. Powder Metall. Met. Ceram. 2019. Vol. 57, Iss. 11–12. P. 697–702. https://doi.org/10.1007/s11106-019-00033-8.

  23. Duriagina Z., Lemishka I., Litvinchev I., Marmolejo J.A., Pankratov A., Romanova T., Yaskov G. Optimized filling of a given cuboid with spherical powders for additive manufacturing. Journal of the Operations Research Society of China. 2021. Vol. 9, Iss. 4. P. 853–868. https://doi.org/10.1007/s40305-020-00314-9.

  24. Duriagina Z., Pankratov A., Romanova T., Litvinchev I., Bennel, J., Lemishka I., Maximov S. Optimized packing titanium alloy powder particles. Computation. 2023. Vol. 11, Iss. 2. Article number 22. https://doi.org/10.3390/computation11020022.

  25. Verguet A., Messaoudi C., Marco S., Donnadieu P. An ImageJ tool for simplified post-treatment of TEM phase contrast images (SPCI). Micron. 2019. Vol. 121. P. 90–98. https://doi.org/10.1016/j.micron.2019.01.006.

  26. OriginLab. User guide. URL: http://www.originlab.com/doc/User-Guide .




Інформація редакції Аннотації статей Автори Архів
Журнал Тематичні Розділи Редакція Редакційна колегія Приклади документів Передплата Контакти
© 2024 Kibernetika.org. All rights reserved.