POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono...
Transcript of POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono...
![Page 1: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/1.jpg)
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACHWydział Mechaniczny Technologiczny
PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA
„Wykorzystanie pakietu MARC/MENTAT do modelowania naprężeń cieplnych”
![Page 2: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/2.jpg)
Spis treści
•Pole temperatury
•Przykład obliczeniowy
•Naprężenia cieplne
•Obliczenia testujące
•Przykład zastosowania MES do wyznaczanie naprężeń cieplnych
•Wnioski
![Page 3: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/3.jpg)
Przykład zastosowania MES do wyznaczanie naprężeń cieplnych
Prasa do wyciskania wlewków 1350T
![Page 4: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/4.jpg)
Przekrój poprzeczny prasy
![Page 5: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/5.jpg)
Przekrój poprzeczny prasy
kanały chłodzące
matryca
obudowa
wlot wody chłodzącej
wylot wody chłodzącej
![Page 6: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/6.jpg)
W ujęciu technologicznym cały proces wyciskania wlewka można sprowadzić do kilku okresowo powtarzających się operacji.
Można wyszczególnić:a) załadowanie gorącego wlewka do matrycy, wyciskanie, b) wypchnięcie za pomocą głowicy wyrzutnika gotowego produktu
a) b)
![Page 7: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/7.jpg)
Siatka elementów skończonych z podziałem na poszczególne elementy układu.
Geometrię obszaru wygenerowano na podstawie płaskiej dokumentacji technicznej. Dyskretyzacji dokonano za pomocą elementów czterowęzłowych.
![Page 8: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/8.jpg)
Warunki brzegowe i początkowe
Ze względu na nieustalony charakter zadania tzn. zakładamy, że ogrzany do temperatury 800 [oC] wlewek pod wpływem temperatury otoczenia schładza się, oraz przekazuje ciepło przez ścianki do matrycy, konieczne jest więc przeprowadzenie analizy nieustalonego pola temperatur.
Zakładamy, że w czasie t=0 [s] temperatury obudowy i matrycy są takie same i wynoszą 18 [oC], temperaturę wlewka określono na poziomie 750 [oC] (uwzględnia to transport oraz różne niedokładności związane z procesem wygrzewania wlewka).
Temperaturę otoczenia określono na poziomie Tot=18 [oC], współczynnik wymiany ciepła α wynosi odpowiednio 5 [W/m2K] oraz 15 [W/m2K] dla matrycy/obudowy i wlewka. Wodę chłodzącą, która przepływa w kanałach kołowych wokół matrycy przedstawimy za pomocą warunku brzegowego III rodzaju.
![Page 9: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/9.jpg)
Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących.
I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego TWY1=16.1 [oC]-drugiego TWY2=17 [oC]-trzeciego TWY3=17.7 [oC]-czwartego TWY4=18.2 [oC]-piątego TWY5=18.6 [oC]-szóstego TWY6=19 [oC]-siódmego TWY7=19.2 [oC]-ósmego TWY8=19.4 [oC]
Powyższe wyliczenia pozwalają zadać w programie Mentat warunki brzegowe o wyliczonych wartościach temperatur i stałym dla uproszczenia we wszystkich kanałach parametrze α=2140 [W/m2K] (wyznaczonym z zależności Michiejewa).
Siatka elementów skończonych z warunkami brzegowymi.
![Page 10: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/10.jpg)
Ponieważ dokonujemy analizy dotyczącej naprężeń wywołanych polem temperatury, konieczne jest zadanie odpowiednio
sformułowanych mechanicznych warunków brzegowych.
Więzy nałożone na układ
![Page 11: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/11.jpg)
Rozkład naprężeń cieplnych [Pa] po czasie 180 [s] dla średnich wartości parametrów
(max.4.5 GPa)
Rozkład naprężeń cieplnych [Pa] po czasie 180 [s] dla parametrów zależnych od temperatury (max. 470 MPa)
![Page 12: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/12.jpg)
Własności materiałowe
Ponieważ w rozpatrywanym obszarze oczekujemy bardzo szerokiego spektrum temperatur (od 15 do 750 [oC]),
uwzględnienie zmian podstawowych
parametrów fizycznych w zależności od temperatury.
konieczne jest
C(T)λ(T)
![Page 13: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/13.jpg)
A)
B)
Odkształcenia. A-siatka jednorodna, B-kontakt (kolor żółty: maksymalne odkształcenia, niebieski: minimalne)
![Page 14: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/14.jpg)
β(T) E(T)
Re(T)
Analizy układu dokonano metodą idealnego kontaktu, przy zastosowaniu modelu materiału idealnie sprężysto-plastycznego.
![Page 15: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/15.jpg)
0,00E+00
2,00E+08
4,00E+08
6,00E+08
8,00E+08
1,00E+09
1,20E+09
0,00
E+0
0
1,93
E-0
2
3,85
E-0
2
5,75
E-0
2
7,62
E-0
2
9,46
E-0
2
1,13
E-0
1
1,32
E-0
1
1,51
E-0
1
1,70
E-0
1
1,89
E-0
1
2,38
E-0
1
2,94
E-0
1
3,50
E-0
1
R [m ]
Nap
ręże
nie
red
uko
wan
e [P
a]
mat.s prężys to-plas tyczny
mat. s prężys ty
Rozkład naprężeń wzdłuż przekroju poprzecznego. Wyniki dla analizy typu kontakt.
![Page 16: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/16.jpg)
Analiza i wyniki
Wyniki otrzymane dla układu z zadaną na stałe średnią długością wlewka.
Mapa naprężeń redukowanych dla materiałów sprężysto-plastycznych
![Page 17: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/17.jpg)
Zastosowanie opcji - global remeshing dla obszaru wlewka (kolor żółty - maksymalne odkształcenie plastyczne, niebieski minimalne)
![Page 18: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/18.jpg)
Wyniki otrzymane dla układu z symulacją procesu wyciskania wlewka
z zastosowaniem dynamicznej modyfikacji siatki - global remeshing
Pole temperatury
![Page 19: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/19.jpg)
Wyniki otrzymane dla układu z symulacją procesu wyciskania wlewka. Granica plastyczności materiału wlewka 1Pa.
Mapa naprężeń redukowanych
![Page 20: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/20.jpg)
Udział naprężeń cieplnych w całkowitym obciążeniu układu
kolor niebieski - pełne obciążenie układukolor czerwony - układ obciążony jedynie cieplnie
![Page 21: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/21.jpg)
Mapy naprężeń redukowanych, dla układu obciążonego: a) tylko siłami od wyciskania wlewka, b) tylko cieplnie
a)
b)
![Page 22: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/22.jpg)
Wpływ kanałów chłodzących na rozkład naprężeń wzdłuż przekroju
-10
-5
0
5
10
15
20
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
0,19
0,24
0,29
0,35
R [m]
Róż
nica
nap
rężeń
[MP
a]
(T15)-(q=0)
(T=15)-(T=50)
matryca obudowa
Jako rozwiązanie najbardziej korzystne zaproponowano wariant, w którym podczas procesu wyciskania wlewka w kanałach nie stosujemy chłodzenia, dopiero po wypchnięciu wlewka ustalamy chłodzenia wodą o temp. 15 [C]. Dopuszcza się brak chłodzenia między kolejnymi cyklami w przypadku zakończenia procesu lub przy znacznych przestojach. Pozwoli to w sposób naturalny doprowadzić układ do stanu beznaprężeniowego.
![Page 23: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/23.jpg)
WNIOSKI
- w przypadku układów o znacznych gabarytach i przy dużych zmianach temperatur konieczne jest stosowanie w pełni nieliniowych charakterystyk materiałowych,- siatka dające bardzo dobre wyniki w przypadku obliczeń cieplnych, w przypadku analizy naprężeń cieplnych powoduje miejscowe kumulacje naprężeń, nie mające miejsca w rzeczywistości, - w przypadku skomplikowanych układów, konieczne jest stosowanie analizy typu kontakt, w celu otrzymania wyników zbliżonych do rzeczywistości,- na postać otrzymanych wyników ma wpływ rodzaj modelu zastosowanego do odwzorowania zachowania materiału.
![Page 24: POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny ... · Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału:-pierwszego](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022042804/5f4feec219615163d9228ccc/html5/thumbnails/24.jpg)
Koniec