Logowanie do System sprawozdań KDM

Modelowanie procesu powstawania naprężeń własnych w cienkościennych konstrukcjach spawanych obciążonych ciśnieniem i temperaturą

Kierownik projektu: Marcin Wikło

Politechnika Radomska

Wydział Mechaniczny

Radom

Streszczenie projektu

Celem badań jest określenie stanu naprężeń i odkształceń oraz prognozowanie trwałości zmęczeniowej cienkościennej nośnej konstrukcji spawanej przemysłowych cylindrów suszarek. Cylindry takie zawierają "poduszki" składające się z dwóch blach o różnej grubości ze stali nierdzewnej połączonych dwiema koncentrycznymi spoinami laserowymi. Przestrzeń utworzona przez blachy i spoiny o długości całkowitej rzędu kilku kilometrów jest po spawaniu kształtowana pod ciśnieniem przekraczającym granicę plastyczności materiału blach. Proces technologiczny wykonania "poduszek" powoduje tworzenie się naprężeń własnych, które mają wpływ na zmęczenie cylindra użytkowanego w warunkach zmiennego ciśnienia i zmiennej temperatury oraz poddawanego ciśnieniowym próbom szczelności przekraczającym granice plastyczności. Na podstawie symulacji numerycznych poszczególnych operacji technologicznych i symulacji obciążeń w warunkach użytkowania można będzie sformułować zalecenia umożliwiające poprawienie trwałości zmęczeniowej cylindrów suszarek wyposażonych w "poduszki" dla transportu pary pod ciśnieniem.

Celem badań jest określenie wytrzymałości zmęczeniowej pił taśmowych w funkcji warunków brzegowych związanych w ich eksploatacją takich jak napięcie wstępne, wygięcie piły (prowadzenie) i związane z tym naprężenia. Dla poprawy jakości piły taśmowe wykonane są z dwóch części rdzeń i ostrze (piły bimetaliczne). Piły taśmowe jak również operacje cięcia są wciąż otwartym tematem z niewielką liczbą publikacji w porównaniu do innych rodzajów obróbki mechanicznej takich jak toczenie, skrawanie czy wiercenie.

Podstawą warsztatu naukowego są stosowane w Zakładzie Mechaniki metody modelowania konstrukcji z użyciem metody elementów skończonych w zakresie nieliniowych charakterystyk materiału, pomiary tensometryczne naprężeń własnych oraz metody prognozowania trwałości zmęczeniowej konstrukcji spawanych. Podstawowy zakres prac dotyczy symulacji numerycznych spawania, kształtowania "poduszki" i obliczeń wytrzymałościowych w warunkach eksploatacji suszarki. Dodatkowo planuje się eksperymentalną weryfikację wyników symulacji numerycznych polegającą na pomiarach naprężeń własnych i rejestracjach rozkładu temperatur podczas i po poszczególnych operacjach technologicznych. Praca ma znaczenie praktyczne. Jej wyniki mogą być wykorzystane w produkcji nowoczesnych i niezawodnych cylindrów suszarek oraz w konstrukcjach urządzeń absorbujących energię uderzenia, jak również przy opracowaniu geometrii pił taśmowych.



Wyniki badań planuje się upowszechnić w postaci referatu na konferencji naukowej, a w rozszerzonej wersji - jako artykuł naukowy. Praca będzie dobrym przygotowaniem dla dalszych badań mogących zakończyć się rozprawą doktorską.



Opisany powyżej projekt badawczy wymaga przeprowadzenia symulacji procesów spawania oraz sprzężonej analizy termo-mechanicznej. Dotąd zagadnienia te symulowane były w programie do obliczeń inżynierskich Calculix autorstwa Guido Dhondt oraz Klaus Wittig (www.calculix.de). Używane oprogramowanie posiada jednak duże ograniczenia jeśli chodzi o symulację ruchomego źródła ciepła. Zagadnienia związane ze spawaniem były rozwiązywane na zasadzie sekwencyjnego nagrzewania poszczególnych części spoiny. Przeprowadzenie sprzężonej analizy termo-mechanicznej często wykazywało, że przygotowany model jest rozbieżny i jedynym wyjściem z sytuacji było naprzemienne stosowanie analizy termicznej oraz statycznej, co może dać jedynie przybliżone rezultaty, nie tak dokładne jak analiza sprzężona termo-mechaniczna. Zagadnienia ruchomego źródła ciepła symulowane były także w oprogramowaniu Code Aster, jednakże pozwala ono jedynie na uzyskanie rozkładu temperatur w momencie, gdy źródło ciepła znajduje się w ściśle określonym położeniu (po przebyciu pewnej drogi). Rozwiązanie to jest bezużyteczne z punktu widzenia wyznaczania naprężeń własnych po procesie spawania. Mamy nadzieję, że oprogramowanie MSC Marc spełni nasze oczekiwania w zakresie przedstawionych problemów, w tym również w zakresie planowanej w najbliższym czasie symulacji numerycznej procesów wytwarzania takich jak piłowanie metali, obróbka plastyczna, optymalizacja kształtu węzła konstrukcyjnego.



Oprogramowanie Calculix było do tej pory używane w formie niezrównoleglonej. Choć wersja dla systemu Linux może być łatwo skompilowana dla równoległych obliczeń, dostępna wersja działająca w systemie Windows jest rozpowszechniana bez kodu źródłowego i uzyskanie zrównoleglonej wersji dla systemu Windows z wersji dla systemu Linux wiązałoby się z pewnymi nakładami czasu. Możliwość używania wersji zrównoleglonej przyspieszyłaby czas obliczeń realizowanych projektów.

Do obliczeń w ramach przedstawionego projektu wymagane są głównie zagadnienia związane z ruchomym źródłem ciepła, sprzężoną analizą termo-mechaniczną oraz wyznaczeniem naprężeń własnych po nagrzewaniu i chłodzeniu oraz po różnego rodzaju obróbkach technologicznych.

Planuje się eksperymentalną weryfikację wyników symulacji numerycznych polegającą na pomiarach naprężeń własnych i rejestracjach rozkładu temperatur podczas i po poszczególnych operacjach technologicznych.

Publikacje

  1. KRÓL Roman, ANALIZA NUMERYCZNA PROCESU SPAWANIA I JEGO WPŁYWU NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ ZŁĄCZA NAROśNEGO, Technika Transportu Szynowego 10, (2013) 547-557
  2. Kazimierz Król, Marcin Wikło, Krzysztof Olejarczyk, Raportu z prac B+RT realizowanych w ramach projektu nr RPMA.01.02.00-14-001/11 pt.: ?Innowacyjna technologia dla innowacyjnego produktu pił taśmowych bimetalicznych., RPO WM Działanie 1.2 Budowa sieci współpracy nauka-gospodarka x, (2012) 139-158
  3. Roman Król, The Finite Element Analysis of swaging the wood bandsaw teeth at the bottom of the gullet, Logistyka 6, (2014) 6063-6069
  4. Roman Król, The Finite Element Analysis of swaging the wood bandsaw teeth at the point, Logistyka 6, (2014) 6070-6077
  5. Roman Król, Naprężenia własne w spawanym połączeniu przegubowym koparki, Logitrans 3, (2014) 3335-3345
  6. KRÓL Roman, Stateczność pił taśmowych, Technice Transportu Szynowego 12, (2015) -

Centrum Informatyczne Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej
ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk   |   tel. 58-347-24-11
email: office@task.gda.pl   |   NIP: 584-020-35-93