Optymalizacja konstrukcji pod kątem minimalizacji wagi wyrobu odlewanego rotacyjnie studium przypadku. Dr inż. Krzysztof NADOLNY. Olandia

Transkrypt

1 Optymalizacja konstrukcji pod kątem minimalizacji wagi wyrobu odlewanego rotacyjnie studium przypadku Dr inż. Krzysztof NADOLNY 1 Olandia

2 CENTINO dla rotomouldingu Projekty wyrobów Produkcja form Optymalizacja MES Oznakowanie CE 2

3 CENTINO dla rotomouldingu Od ostatniego wystąpienia na ROTOPOL zaprojektowaliśmy/ przeliczyliśmy ponad 130 nowych konstrukcji Od początku działalności (od 2009) będzie to już ponad 330 nowych konstrukcji W 2018 roku zbudowaliśmy 15 form stalowych 3

4 Projektowanie i produkcja form stalowych Zbiorniki Studnie Bariery drogowe Pokrywy i inne 4

5 Wdrażanie produkcji nowych produktów Projekt Produkcja formy Testy Wyrób 5

6 Minimalizacji wagi wyrobu odlewanego rotacyjnie 6 STUDIUM PRZYPADKU CASE STUDY

7 Sposoby zmniejszenia masy wyrobów 7 Zmniejszenie wymiarów produktu Zastosowanie innego lekkiego tworzywa Wycięcie zbędnych fragmentów, otworów Zastosowanie optymalizacji konstrukcji przy użyciu analizy MES Zmniejszenie grubość ścianki Zmiana kształtu produktu Wprowadzenie struktury porowatej

8 Zastosowanie optymalizacji konstrukcji przy użyciu MES Dzięki optymalizacji MES możemy Zmienić kształt wyrobu obniżyć grubość ścianki zachowując odpowiednią wytrzymałość zoptymalizować wielkość żeber MES metoda elementów skończonych FEM - finite element method 8

9 Zmiana kształtu unikanie płaskich powierzchni A B C 9 σ = 19 MPa Umax = 832 mm σ = 8,1 MPa Umax = 112 mm σ = 5,3 MPa Umax = 27,2 mm

10 Zmiana kształtu - stosowanie podpór w produktach g=10 mm 10 g=5 mm

11 Optymalizacja kształtu żebra obwodowego Odkształcenia poprzeczne i wzdłużne h 4h 4h h 4h 4h a Uy Ux X Y 11

12 Masa [kg] u [mm] Optymalizacja kształtu żebra obwodowego 12 α = 0 α = 10 α = 20 α = 30 α = 40 α = 50 α = 60 Ux = 13,865 Uy = 12,18 5,512 kg Ux = 13,445 Uy = 12,66 5,394 kg Ux = 12,97 Uy = 13,2 5,286 kg Ux = 12,955 Uy = 13,74 5,186 kg Ux = 12,375 Uy = 14,33 5,09 kg Ux = 11,815 Uy = 15,06 5,002 kg Ux = 11,36 (+22%) Uy = 15,89 (-23%) 4,918 kg (-12%) Kąt żebra vs. Przemieszczenie i masa produktu Kąt żebra a Ux Uy kg

13 Wykorzystanie optymalizacji MES do wzmocnienia dennicy zbiornika D: 32 mm V: 400 mm D: 21 mm V: 111 mm D: 24,5mm V: 235 mm D: 30,8 mm V: 8 mm 13 Wniosek: Szerokość żebra = 1/6 średnicy

14 Analiza dennicy zbiornika Średnica zbiornika 1200 mm, Promień dennicy R=1200 Posadowienie 0,6 m Grubość ścianki 13 mm Woda gruntowa WET=1m Analiza nieliniowa Nieliniowy materiał - PE Czas analizy 10 lat (pełzanie) A C B D 14

15 Analiza dennicy z żebrem poziomym Przemieszczenia 100 mm Naprężenia 5,7 MPa 15

16 Analiza dennicy z żebrem pionowym Przemieszczenia 29 mm Naprężenia 3,8 MPa ,7 3,8

17 17 Utrata sztywności i stateczności

18 Analiza dennicy z dwoma żebrami (krzyż) Przemieszczenia 11 mm Naprężenia 2,4 MPa ,8 2,4

19 Analiza dennicy bez żebra Przemieszczenia 4,7 mm Naprężenia 1,7 MPa ,7 2,4 1,7

20 Wyniki analizy R=1200, fi=1200, g=13 mm, PE (EN 1778) Backfill=0,6 WET=1m Wariant dennicy Odkształcenia mm Poziome żebro 100 5,7 Pionowe żebro 29 3,8 Krzyż żeber 11 2,4 Bez żebra 4,7 1,7 Naprężenia MPa Po co stosować żebra?? 20

21 Analiza dennicy zbiornika R=10000, R=3000, R=2000, R=1700, R=

22 Analiza dennicy płaskiej (R=10000) Przemieszczenia 85 mm Naprężenia 3,8 MPa 22

23 Analiza dennicy R=3000 Utrata stateczności przy sile powyżej 42% 23 Step 7 Load=42% U=19,7 mm Step 8 Load=38% U=27,7 mm Step 9 Load=26% U=71 mm

24 Analiza dennicy R=1200 Przemieszczenia 4,7 mm Naprężenia 1,7 MPa 24

25 Wyniki analizy dla różnych promieni dennic Wariant dennicy Odkształcenie mm R=1200 4,7 1,7 R= ,1 R= ,7 R= Wyboczenie 4,8 R=10000 ~Płaska 85 3,8 Naprężenia MPa 25

26 Analiza dennicy R=3000 z żebrem pionowym Przemieszczenia 51 mm Naprężenia 4,19 MPa ,8 4,19

27 Analiza dennicy R=3000 z krzyżem Przemieszczenia 11,8 mm Naprężenia 2,69 MPa ,8 4,19 2,69

28 Analiza dennic Wnioski: Jeżeli nie tracimy stateczności nie dajemy żadnych żeber!!! Żebra przecinając dennicę osłabiają ją gdyż tracimy ciągłość materiału Żebra pionowe dają lepsze rezultaty od poziomych Lepsze zabezpieczenie przed utratą stateczności jest dołożenie żeber w postaci krzyża niż pojedynczych żeber Dla uzyskania najmniejszej grubości ścianki: Stosujemy możliwie najmniejszy promień Stosujemy żebra o tej samej wysokości przecinające się wzajemnie (krzyż) Prowadzimy optymalizację kształtu, wielkości i wymiarów żeber 28

29 29 STRUKTURY SPIENIONE

30 Struktury spienione 30 Pozwalają uzyskać zmniejszenie masy do 70% Zalety Zwiększona izolacyjność termiczna i akustyczna Zwiększona wytrzymałość Znacznie wyższa odporność na uderzenia Zmniejszenie zużycia materiału Możliwość kontroli elastyczności produktów Zwiększone pochłanianie energii Możliwość użycia tych samych maszyn

31 Struktury spienione Wady: Wydłużony proces produkcji (dłuższe chłodzenie) Trudności technologiczne wymagają większego wkładu pracy 31

32 Struktury spienione Metody produkcji Jednozasypowe (pianki typu nonstick) Dwuzasypowe drugi zasyp odbywa się w piecu na jeden wjazd Dwuzasypowe drugi zasyp odbywa się poza piecem na dwa wjazdy Dropbox 32

33 Struktury spienione Doświadczenia własne Stosować 4 razy większe odpowietrzniki niż przy tradycyjnym odlewaniu Stosować kontrolę temperatury wewnątrz formy i poszukiwać doświadczalnie najlepszych temperatur i czasów Porównać zasyp z Dropboxa z zasypem w dwóch cyklach

34 34 NIELINIOWOŚĆ MATERIAŁOWA I ZJAWISKO PEŁZANIA

35 CREEP MODULUS Matematyczny model nieliniowy polietylenu opracowany na podstawie normy EN 1778 i badań własnych Sztywność zależy od przyłożonych naprężeń (nieliniowość materiału) Wytrzymałość na pełzanie (creep strength) PE jest znacznie niższa niż granica plastyczności: 7,7 MPa < 19 MPa STRESSES 1 yr 10 yrs 25 yrs HDPE 1000h

36 CREEP MODULUS Matematyczny model nieliniowy polietylenu opracowany na podstawie normy EN 1778 i badań własnych Sztywność Polietylenu zmniejsza się w czasie (pełzanie materiału) MPa ,10 1,00 10,00 Years

37 Podsumowanie Zanim odchudzisz ściankę produktu pamiętaj: Żebra nie zawsze pomagają Pełzanie ma bardzo duży wpływ na pogorszenie właściwości w czasie Struktury spienione to najszybsza droga do uzyskania lekkiego produktu Prowadź optymalizację MES swoich produktów 37

38 Dziękuję za uwagę Thank you for your attention Krzysztof Nadolny Tel