ROTOPOL Spring Meeting

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "ROTOPOL Spring Meeting"

Angelika Skowrońska
9 lat temu
Przeglądów:

1 ROTOPOL Spring Meeting Obliczenia wytrzymałościowe dużych zbiorników. Optymalizacja konstrukcji zbiorników. Studium przypadku. Strength analysis of big tanks. Optimization of design of tanks. Case study. Ph. D. Krzysztof Nadolny 1 Mierzęcin,

Studium przypadku. Strength analysis of big tanks.

2 Treść prezentacji Prezentacja firmy Centino Krótko o metodzie obliczeń wytrzymałości konstrukcji MES MES w obliczeniach zbiorników z PE Studium przypadku przykłady konstrukcji i optymalizacji geometrii zbiorników Podsumowanie 2

obliczeniach zbiorników z PE Studium przypadku przykłady

3 3 Prezentacja firmy CENTINO Centrum projektowo-obliczeniowe CENTINO mała i elastyczna firma zatrudniająca kilka osób od 2009 roku wykonaliśmy około 150 konstrukcji przy użyciu obliczeń MES, w tym przynajmniej 90 konstrukcji wykonanych w rotomouldingu z optymalizacją MES projektujemy wyroby i formy doradzamy w zakresie rotomouldingu i tworzyw sztucznych, wprowadzamy produkty na rynek, wdrażamy oznakowanie CE, wdrażamy Zakładową Kontrolę Produkcji współpracujemy z TUV SUD, jesteśmy zewnętrznym ekspertem TUV Rheinland Nasza siedziba: ul. Wrzesińska 1B Kostrzyn ~20 km od Poznania

formy doradzamy w zakresie rotomouldingu i tworzyw sztucznych, wprowadzamy produkty na rynek, wdrażamy oznakowanie CE, wdrażamy Zakładową Kontrolę

4 Oprogramowanie CAD NEiFusion 2.1 SolidWorks parametryczny modeler 3D NEiNastran solver MES, Możliwości: Statyczna analiza linowa Statyczna analiza nieliniowa Analiza wyboczenia Analiza zderzeń, Optymalizacja konstrukcji Kompozyty warstwowe Liniowa i nieliniowa analiza transferu ciepła Analizy częstotliwościowe, odpowiedź czasowa Kompatybilność SolidWorks, Pro/ENGINEER, IPT (Autodesk Inventor ), Mechanical Desktop, Unigraphics, PAR (Solid Edge ), CADKEY, IGES, STEP, Parasolid, SAT (ACIS ), VDA-FS, VRML, STL, DWG, DXF, Viewpoint, RealityWave, HSF (Hoops) 4

wyboczenia Analiza zderzeń, Optymalizacja konstrukcji Kompozyty warstwowe Liniowa i nieliniowa analiza transferu ciepła Analizy

5 Droga produktu na rynek Koncepcja! Szkic -> model 3D Dopracowanie funkcjonalne modelu Optymalizacja konstrukcji MES Sprawdzenie funkcjonalności modelu Korekta modelu Obliczenia MES -> Raport Wykonanie szeregu dokumentacji dodatkowej dla wyrobu, instrukcje montażu, obsługi, DTRki, dokumentacja formy Produkcja wyrobu Wykonanie badania typu Wprowadzenie na rynek na drodze uzyskania zgodności CE lub AT 5

funkcjonalności modelu Korekta modelu Obliczenia MES -> Raport Wykonanie szeregu dokumentacji

6 MES metoda elementów skończonych Metoda elementów skończonych umożliwia numeryczną idealizację oraz rozwiązanie równań równowagi w usystematyzowany i uporządkowany sposób. Geometria węzeł węzeł W praktyce oznacza to możliwość rozwiązania bardzo skomplikowanych konstrukcji inżynierskich. Podział na elementy Element skończony 6

7 MES 2D oraz 3D Obliczenia MES mogą być przeprowadzane w przestrzeni: jednowymiarowej (1D) dwuwymiarowej (2D) stosuje się do modelowania powłok np. zbiorników cienkościennych trójwymiarowej (3D) dowolne obiekty przestrzenne 7

8 MES Optymalizacja konstrukcji Optymalizacja konstrukcji masa wytrzymałość odkształcenia 8 Optimization of bridge

Zagadnienia nieliniowe MES 9 Jaki przyjmować moduł Younga dla PE? Zagadnienie liniowe: f(x) = a x Zagadnienia nieliniowe w MES: Nieliniowość materiałowa niezgodność z prawem Hooke a (np.

9 Zagadnienia nieliniowe MES 9 Jaki przyjmować moduł Younga dla PE? Zagadnienie liniowe: f(x) = a x Zagadnienia nieliniowe w MES: Nieliniowość materiałowa niezgodność z prawem Hooke a (np. polietylen jest nieliniowosprężysty) σ E ε Nieliniowość geometryczna Nieliniowość elementu skończonego (elementy 2 rzędu) Zagadnienia nieliniowe są dużo bardziej skomplikowane obliczeniowo i wymagają większej mocy obliczeniowej i większej ilości czasu Nie obowiązuje prawo Hooke a w przypadku obciążeń krótkotrwałych możemy do obliczeń przyjąć moduł zwykły (krótkoterminowy): np.: załadunek, transport zbiorników w przypadku obciążeń długotrwałych należy uwzględnić nieliniowość materiału i pełzanie.

polietylen jest nieliniowosprężysty) σ E ε Nieliniowość geometryczna Nieliniowość elementu skończonego (elementy 2 rzędu) Zagadnienia nieliniowe są dużo bardziej

10 CREEP MODULUS Matematyczny model nieliniowy polietylenu opracowany na podstawie normy EN 1778 i badań własnych Sztywność zależy od przyłożonych naprężeń (nieliniowość materiału) Sztywność zmniejsza się w czasie (pełzanie materiału) STRESSES 10 1 yr 10 yrs 25 yrs HDPE 1000h

naprężeń (nieliniowość materiału) 500 400 300 Sztywność zmniejsza się w

11 Matematyczny model nieliniowy polietylenu opracowany na podstawie normy EN 1778 i badań własnych Uwzględnienie pełzania (creep) w okresie 1-25 lat Naprężenia dopuszczalne dla HDPE σdop = 7,7 MPa są dużo niższe od granicy plastyczności (19 MPa). 11

pełzania (creep) w okresie 1-25 lat Naprężenia dopuszczalne

Cechy modelu MES dla zbiorników z PE Geometria: powłokowa 2D Siatka elementów skończonych: trójkąty i/lub czworokąty Typ analizy MES: nieliniowa statyczna Materiał:

12 Cechy modelu MES dla zbiorników z PE Geometria: powłokowa 2D Siatka elementów skończonych: trójkąty i/lub czworokąty Typ analizy MES: nieliniowa statyczna Materiał: nieliniowy model materiałowy PE 12 Warunki brzegowe: Obciążenia: zgodnie z EN lub EN Podparcia: wykorzystanie symetrii, blokada przemieszczeń pionowych

Materiał: nieliniowy model materiałowy PE 12 Warunki brzegowe: Obciążenia: zgodnie

13 Zbiorniki podziemne siły oddziaływań 13 Na zbiornik podziemny działają siły zewnętrzne pochodzące od gruntu oraz od wód gruntowych, które modelowane są jako ciśnienia P H i P V Osobno należy rozpatrywać ciśnienia działające na pionowe i poziome części zbiornika Zgodnie z normą EN AD1:2007 ciężar właściwy gruntu powyżej poziomu wody gruntowej wynosi 18 kn/m² ciężar właściwy gruntu poniżej poziomu wody gruntowej wynosi 10 kn/m² Zmiany w normie EN AD2:2013 Zmienił się sposób określania wytrzymałości z wartości ciśnienia podawanej w [kn/m²] na wartość naziomu nad zbiornikiem [m] Do określenia sił działających na boczne części ścianek zbiornika wprowadza się pojęcie współczynnika parcia gruntu K Współczynnik wynosi odpowiednio: dla żwiru K=0,27 dla piasku K=0,33 dla innych materiałów zasypki K=0,5 P H P V

poniżej poziomu wody gruntowej wynosi 10 kn/m² Zmiany w normie EN 12566-3 AD2:2013 Zmienił się sposób określania wytrzymałości z wartości ciśnienia podawanej w [kn/m²] na wartość naziomu nad

14 Zbiorniki podziemne ciśnienie wewnętrzne W przypadku zbiorników stale wypełnionych (np, osadniki gnilne) należy dodatkowo przyłożyć od wewnętrznej strony zbiornika ciśnienie hydrostatyczne wody (od poziomu zalania) Ciśnienie to jest pożądane wpływa pozytywnie na wytrzymałość zbiornika Dno należy potraktować jako powierzchnię reakcji podłoża (R). Suma wszystkich składowych sił pionowych pochodzących od ciężaru gruntu (F G ) masy zbiornika (F Z ), ciśnienia hydrostatycznego wody (F W ) oraz ciśnienia wyporu dna zbiornika przez wodę (F D ) powinna zostać zrównoważona przez reakcję podłoża (R). Fy = F G + F Z + F W F D = R P W F Z 14 R

15 15 STUDIUM PRZYPADKU CASE STUDY

16 Wykorzystanie optymalizacji MES do wzmocnienia dennicy zbiornika Minimalistyczny model dna studzienki Dodanie żeber wzmacniających 16

17 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 17 Wniosek: Szerokość żebra = 1/6 średnicy Wysokość żebra -?

18 Żebro górne u = 66,4 mm u = 31,1 mm Przerwana ciągłość materiału u = 66,4 mm u = 31,1 mm 18

19 Zbiornik wolnostojący A B 19 C

20 Zbiornik wolnostojący A B C 20 σ = 19 MPa Umax = 832 mm σ = 8,1 MPa Umax = 112 mm σ = 5,3 MPa Umax = 27,2 mm

21 Studium przypadku - dennica U max = 153 mm U max = 50 mm 21 Mały promień dennicy

22 22 Studium przypadku - Dennica

23 Studium przypadku - dennica Połączenie dennicy z dnem zbiornika 23

24 Poprawa geometrii dennicy 70% obciążenia σ = 7 MPa U max = 34 mm 90% obciążenia σ = 20 MPa U max = 70 mm 80% obciążenia σ = 11 MPa U max = 50 mm 100% obciążenia σ = 35 MPa U max = 200 mm 24 Geometria (A) wysokość dennicy H=100 mm,

25 Poprawa geometrii dennicy Geometria (A) H = 100 mm σ = 35 MPa U max = 200 mm Geometria (C) H = 120 mm σ = 12,5 MPa U max = 49 mm Geometria (B) H = 100 mm σ = 39 MPa U max = 234 mm 25

26 Poprawa geometrii dennicy H1 H2 H3 26

27 Zwieńczenie zbiornika σ = 17MPa U max = 332 mm σ = 10 MPa U max = 98 mm 27

28 Żebra poprzeczne efekt harmonijkowania 28 u = 65 mm u = 7 mm

29 Podsumowanie Każdy zbiornik wymaga przeprowadzenia analizy wytrzymałości, nie sposób jest określić słabe punkty bez metody MES Należy unikać przy projektowaniu przejść między ściankami, które mogą tworzyć harmonijkowanie Dennice powinny mieć małe promienie gięcia Unikać powierzchni płaskich Stosować optymalne szerokości żeber Zbiorniki wolnostojące: bez żeber bez płaskich ścian kształty cylindryczne Zbiorniki podziemne użebrowane obwodowo 29

30 Dziękuję za uwagę Zapraszam do dyskusji Krzysztof Nadolny Nasza siedziba: 30 Centrum projektowo obliczeniowe Tel ul. Wrzesińska 1B Kostrzyn ~20 km od Poznania

Podobne dokumenty

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

Optymalizacja konstrukcji pod kątem minimalizacji wagi wyrobu odlewanego rotacyjnie studium przypadku Dr inż. Krzysztof NADOLNY 1 Olandia 10.05.2018 CENTINO dla rotomouldingu Projekty wyrobów Produkcja