POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACHWydział 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

kanały chłodzące

matryca

obudowa

wlot wody chłodzącej

wylot wody chłodzącej

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)

Siatka elementów skończonych z podziałem na poszczególne elementy układu.

Geometrię obszaru wygenerowano na podstawie płaskiej dokumentacji technicznej. Dyskretyzacji dokonano za pomocą elementów czterowęzłowych.

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.

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.

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 [oC]),

uwzględnienie zmian podstawowych

parametrów fizycznych w zależności od temperatury.

konieczne jest

C(T)λ(T)

A)

B)

Odkształcenia. A-siatka jednorodna, B-kontakt (kolor żółty: maksymalne odkształcenia, niebieski: minimalne)

β(T) E(T)

Re(T)

Analizy układu dokonano metodą idealnego kontaktu, przy zastosowaniu modelu materiału idealnie sprężysto-plastycznego.

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.

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 układukolor 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

-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.

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