Numerische Simulation - die Geschichte eines Projekts

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    Hallo, Habr und seine lieben Leser!

    In dem Artikel ( Link ) haben wir über unsere Erfahrungen bei der Einführung der Werkzeuge der numerischen Modellierung in die Forschungspraxis eines metallurgischen Unternehmens berichtet. Wir sind froh, dass das Thema Unterstützung gefunden hat und das Interesse der Ressourcenleser geweckt hat. Heute werden wir über die praktische Seite des Problems der Anwendung numerischer Methoden zur Lösung angewandter Probleme sprechen, nämlich den Fortschritt eines unserer Projekte. Es handelt sich um eine industrielle Schredderanlage, die zum Zermahlen von Metallschrott und zur Reinigung von Verunreinigungen ausgelegt ist.

    Der Rohstoff für den Schredder ist Schrott, und das Ergebnis der Arbeit ist Metallmehl. Durch das Schleifen von Metallschrott können Sie die Schüttdichte erhöhen und vor allem Unreinheiten, einschließlich Nichteisenmetalle, sortieren und entfernen, die ebenfalls recycelt werden, jedoch getrennt.

    Gegenstand unserer Studie war der Stützrahmen der Vibrationsrutsche, die die Mahlzeit vom Schredder zum Förderband transportiert. Damit die Mahlzeit nicht in der Vibrationsrutsche verweilt, wird die Rutsche selbst dynamischen Belastungen ausgesetzt - sie vibriert.

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    Geometrisches Modell der Vibrationsrille und des Stützrahmens

    Während der Wartung der Ausrüstung wurden Risse am Stützrahmen entdeckt, hauptsächlich entlang der Schweißnähte. Der Grund für die Entstehung von Schäden konnte mit herkömmlichen Methoden nicht festgestellt werden, vor allem, weil während des Betriebs des Schredderpersonals der Zugang zu dem Zerkleinerer verboten ist. Maßnahmen zur Beseitigung der Rissursachen und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Geräten mussten entwickelt und umgesetzt werden. Ziel unserer Teilnahme ist es, die vom Kunden formulierten Hypothesen über den Mechanismus der Zerstörung des Stützrahmens und mögliche Korrekturmaßnahmen mittels numerischer Simulationsmethoden zu überprüfen.

    Die problematischste Phase der Arbeit war die Sammlung grundlegender Daten. Theoretisch werden die Geometrie des Objekts (Zeichnungen oder fertige geometrische Modelle), Daten zu den mechanischen Eigenschaften von Materialien und Belastungsbedingungen dem Rechner als Quelldaten zur Verfügung gestellt. Die Genauigkeit der Quelldaten beeinflusst direkt die Zuverlässigkeit der Ergebnisse des Rechenmodells. In unserem Projekt waren keine signifikanten Datenmengen verfügbar, und diese Lücken wurden mit „manuellen“ Messungen gefüllt.

    Als Ergebnis wurde ein geometrisches Schröder-Modell zusammengebaut, ein Finite-Elemente-Modell erstellt, alle Montagebedingungen festgelegt und Berechnungen gestartet.

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    Finite-Elemente-Modell: Blechelemente wurden durch finite Elemente der Schale (EC) approximiert; Befestigungspunkte der Schwenkarme - Festkörper-CE; Schwenkarme - Träger CE

    Wir begannen mit einer Bewertung der statischen Festigkeit der Struktur. Äußere Belastungen: Eigengewicht der Struktur und Masse der Mahlzeit bei unterschiedlicher Befüllung der Vibrationsrinne. Statische Analysen zeigten, dass selbst bei voller Beladung der Rinne das Niveau der mechanischen Spannungen deutlich unter den Grenzwerten lag und keine Ursache für die Zerstörung der Metallstruktur sein konnte.

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    Statische Analyse: Die Verteilung äquivalenter von Mises bei voller Belastung der Dachrinne mit Körnung, MPa Die

    Frequenzanalyse der Struktur zeigte, dass die Frequenz der äußeren harmonischen Belastung nahe an der Frequenz der Schwingungen in der 3. richtigen Form liegt, die Resonanz verursachen können.

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    Was passiert mit der Konstruktion des Stützrahmens, wenn Resonanzschwingungen auftreten?

    Um diese Frage zu beantworten, wurde eine Reihe von linearen (modalen Dynamiken) und nichtlinearen dynamischen Berechnungen durchgeführt, bei denen wir absichtlich versuchten, ein System in Resonanz zu bringen. Die folgenden Parameter variierten: äußere Lastfrequenz ± 15% des Basiswerts, Füllstand des Schachtkörpers mit Sand (beeinflusst die dynamischen Eigenschaften des Systems) und Federsteifigkeit ± 15% des Basiswerts. Es wurden Werte variabler Parameter und deren Kombinationen erhalten, die zum Auftreten von Resonanzschwingungen führen.

    Die Analyse ergab, dass Resonanzschwingungen zu Schockkontaktwechselwirkungen zwischen den Oberflächen der Hubsperren führen. Die mechanischen Beanspruchungen übersteigen zum Zeitpunkt des Aufpralls den Grenzwert, wodurch Metallstrukturen zerstört werden können. Beweise dafür fanden wir im Zuge der wiederholten Inspektion der Anlage: Zum Zeitpunkt der Inspektion fehlten bei einer Reihe von Stopfen Gummidämpfer. Zwei Endstopper werden plastisch verformt, was auf Stöße während des Betriebs hinweist.

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    Nichtlineare dynamische Analyse: Die Verteilung der äquivalenten von Mises-Spannung im Moment des Aufpralls auf die Oberflächen der Fahrunterbrechungen, MPa

    Nach den Ergebnissen der Arbeit haben wir die folgende Schlussfolgerung gezogen: Die wahrscheinlichste Ursache für die Zerstörung sind die resonanten Schwingungen der Struktur und als Ergebnis Stoßwechselwirkungen auf den Oberflächen der Fahrstopps. Die Gründe für das Auftreten von Resonanzschwingungen gemäß dem aktuellen Modell (unter Berücksichtigung der Genauigkeit der ursprünglichen Daten) können nur bedingt gesagt werden: Motorbetrieb bei außerhalb der Auslegung liegenden Drehfrequenzen; Verschleiß des Getriebes und der Antriebsmechanismen, die eine Änderung der Frequenz der äußeren Last zur Folge hatten; "Fatigue" Federn. Die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen, wir verfeinern das Modell nun mit aktualisierten Basisdaten.

    Aus der Sicht der Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Lösung praktischer Probleme in der Industrie zeigt dieses Projekt eindeutig, dass:

    • Mit FEM können Sie Prozesse untersuchen und analysieren, die nicht physisch beobachtet werden können, z. B. aufgrund von Zugriffsbeschränkungen aus Sicherheitsgründen, Umgebungsbedingungen oder Prozessen, die in geschlossenen Räumen stattfinden.
    • Die mit der FEM durchgeführte Analyse mit ziemlich genauer Reproduktion der realen Prozessphysik ermöglicht es, kritische Prozessparameter zu erkennen, auch wenn sie nicht in den ursprünglichen Hypothesen formuliert wurden.
    • Eine der Hauptbeschränkungen der praktischen Anwendung von FEM ist die unzureichende Qualität der Ausgangsdaten, mit denen wir in den meisten unserer Projekte konfrontiert sind.

    Liebhaber technischer Informationen informieren Sie, dass diese Arbeit mit der SIMULIA Abaqus-Software an der Lenovo ThinkStation P720-Abrechnungsstation (Prozessor Xeon Silver 4108, 128 GB RAM) ausgeführt wurde. Abhängig von der Art der Analyse (statisch oder dynamisch) lag die Dimension der numerischen Modelle zwischen 50 und 300.000 finiten Elementen. Die Dauer der Modellberechnung beträgt für statische Analysen mehrere Minuten und für die Dynamik bis zu einer Stunde. Im Allgemeinen dauerte die gesamte Arbeit vom Beginn der Erhebung der ursprünglichen Daten bis zur Erstellung des Berichts und der Abgabe von Empfehlungen 1 Monat.

    Dieser Artikel wurde in Zusammenarbeit mit meinem Kollegen Dmitry Nushtayev, einem Maschinenbauingenieur, entwickelt.

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