POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH Wydział Mechaniczny Technologiczny PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Wykorzystanie pakietu MARC/MENTAT do modelowania naprężeń cieplnych
Spis treści Pole temperatury Przykład obliczeniowy Naprężenia cieplne Obliczenia testujące Przykład zastosowania MES do wyznaczanie naprężeń cieplnych Wnioski
Przykład zastosowania MES do wyznaczanie naprężeń cieplnych Prasa do wyciskania wlewków 1350T
Przekrój poprzeczny prasy
Przekrój poprzeczny prasy wylot wody chłodzącej kanały chłodzące wlot wody chłodzącej matryca obudowa
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)
Geometrię obszaru wygenerowano na podstawie płaskiej dokumentacji technicznej. Dyskretyzacji dokonano za pomocą elementów czterowęzłowych. Siatka elementów skończonych z podziałem na poszczególne elementy układu.
Warunki brzegowe i początkowe Ze względu na nieustalony charakter zadania tzn. zakładamy, że ogrzany do temperatury 800 [ o C] 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 [ o C], temperaturę wlewka określono na poziomie 750 [ o C] (uwzględnia to transport oraz różne niedokładności związane z procesem wygrzewania wlewka). Temperaturę otoczenia określono na poziomie T ot =18 [ o C], współczynnik wymiany ciepła α wynosi odpowiednio 5 [W/m 2 K] oraz 15 [W/m 2 K] dla matrycy/obudowy i wlewka. Wodę chłodzącą, która przepływa w kanałach kołowych wokół matrycy przedstawimy za pomocą warunku brzegowego III rodzaju.
Z bilansu cieplnego wyznaczono temperatury wody na wylocie z kolejnych kanałów chłodzących. I tak, na wylocie z kanału: -pierwszego T WY1 =16.1 [ o C] -drugiego T WY2 =17 [ o C] -trzeciego T WY3 =17.7 [ o C] -czwartego T WY4 =18.2 [ o C] -piątego T WY5 =18.6 [ o C] -szóstego T WY6 =19 [ o C] -siódmego T WY7 =19.2 [ o C] -ósmego T WY8 =19.4 [ o C] Siatka elementów skończonych z warunkami brzegowymi. Powyższe wyliczenia pozwalają zadać w programie Mentat warunki brzegowe o wyliczonych wartościach temperatur i stałym dla uproszczenia we wszystkich kanałach parametrze α=2140 [W/m 2 K] (wyznaczonym z zależności Michiejewa).
Ponieważ dokonujemy analizy dotyczącej naprężeń wywołanych polem temperatury, konieczne jest zadanie odpowiednio sformułowanych mechanicznych warunków brzegowych. Więzy nałożone na układ
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)
Własności materiałowe Ponieważ w rozpatrywanym obszarze oczekujemy bardzo szerokiego spektrum temperatur (od 15 do 750 [ o C]), konieczne jest uwzględnienie zmian podstawowych parametrów fizycznych w zależności od temperatury. λ(t) C(T)
A) B) Odkształcenia. A-siatka jednorodna, B-kontakt (kolor żółty: maksymalne odkształcenia, niebieski: minimalne)
β(t) E(T) Analizy układu dokonano metodą idealnego kontaktu, przy zastosowaniu modelu materiału idealnie sprężysto-plastycznego. R e (T)
1,20E+09 1,00E+09 8,00E+08 6,00E+08 4,00E+08 2,00E+08 0,00E+00 0,00E+00 1,93E-02 3,85E-02 5,75E-02 7,62E-02 9,46E-02 1,13E-01 1,32E-01 1,51E-01 1,70E-01 1,89E-01 2,38E-01 2,94E-01 3,50E-01 Naprężenie redukowane [Pa] R [m ] mat.s prężys to-plas tyczny ma t. s prężysty Rozkład naprężeń wzdłuż przekroju poprzecznego. Wyniki dla analizy typu kontakt.
Analiza i wyniki Wyniki otrzymane dla układu z zadaną na stałe średnią długością wlewka. Mapa naprężeń redukowanych dla materiałów sprężysto-plastycznych
Zastosowanie opcji - global remeshing dla obszaru wlewka (kolor żółty - maksymalne odkształcenie plastyczne, niebieski minimalne)
Wyniki otrzymane dla układu z symulacją procesu wyciskania wlewka z zastosowaniem dynamicznej modyfikacji siatki - global remeshing Pole temperatury
Wyniki otrzymane dla układu z symulacją procesu wyciskania wlewka. Granica plastyczności materiału wlewka 1Pa. Mapa naprężeń redukowanych
Udział naprężeń cieplnych w całkowitym obciążeniu układu kolor niebieski - pełne obciążenie układu kolor czerwony - układ obciążony jedynie cieplnie
Mapy naprężeń redukowanych, dla układu obciążonego: a) tylko siłami od wyciskania wlewka, b) tylko cieplnie a) b)
Wpływ kanałów chłodzących na rozkład naprężeń wzdłuż przekroju 20 15 matryca obudowa Różnica napręże ń [MPa] 10 5 0 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 (T15)-(q=0) (T=15)-(T=50) -5-10 R [m] 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.
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.
Koniec