Pemodelan numerik - sejarah satu proyek

Halo, Habr dan para pembaca terkasihnya!

Dalam artikel ( tautan ), kami berbicara tentang pengalaman kami dalam mengimplementasikan alat pemodelan numerik dalam praktik penelitian perusahaan metalurgi. Kami senang bahwa topik mendapat dukungan dan membangkitkan minat di antara pembaca sumber daya. Hari ini kita akan berbicara tentang sisi praktis dari masalah menggunakan metode numerik untuk menyelesaikan masalah yang diterapkan, yaitu, kemajuan salah satu proyek kami. Ini akan menjadi tentang pabrik penghancur kertas industri yang dirancang untuk menggiling besi tua dan membersihkannya dari kotoran.

Bahan baku untuk shredder adalah besi tua, dan hasil pekerjaannya adalah tepung logam. Penggilingan besi tua dapat meningkatkan kerapatan curahnya, dan yang paling penting, memilah dan menghilangkan kotoran, termasuk logam non-ferro, yang juga diproses, tetapi secara terpisah.

Objek penelitian kami adalah kerangka penopang dari saluran getaran yang mengangkut makanan dari helikopter ke sabuk konveyor. Agar makanan tidak berlama-lama di selokan getar, selokan itu sendiri mengalami beban dinamis - ia bergetar.


Model geometri selokan getar dan bingkai pendukung

Selama pemeliharaan peralatan, retakan pada kerangka pendukung mulai terdeteksi, terutama pada lasan. Alasan kerusakan tidak dapat ditentukan dengan metode konvensional, terutama karena selama operasi shredder, akses personel ke sana dilarang. Itu perlu untuk mengembangkan dan menerapkan langkah-langkah yang bertujuan menghilangkan penyebab retak dan meningkatkan keandalan peralatan. Tujuan dari partisipasi kami adalah untuk menggunakan metode simulasi numerik untuk memverifikasi hipotesis yang dirumuskan oleh pelanggan pada mekanisme penghancuran kerangka dukungan dan kemungkinan tindakan korektif.

Tahap pekerjaan yang paling bermasalah adalah pengumpulan data sumber. Secara teori, geometri objek (gambar atau model geometri siap pakai), data tentang karakteristik mekanis bahan dan kondisi pemuatan disediakan untuk kalkulator sebagai data input. Keakuratan sumber data secara langsung mempengaruhi keandalan hasil model perhitungan. Tidak ada jumlah data yang signifikan dalam proyek kami, dan kesenjangan ini dipenuhi dengan pengukuran "manual".

Akibatnya, model geometri shredder dirakit, model elemen hingga dibangun, semua kondisi pengikat diatur, dan perhitungan dimulai.


Model elemen hingga: Elemen struktur lembaran logam didekati oleh elemen finite shell (CE); titik ikat lengan putar - FE solid-state; tuas putar - balok CE

Kami mulai dengan menilai kekuatan statis struktur. Beban eksternal: bobot mati struktur dan massa makanan pada berbagai tingkat mengisi selokan getaran. Analisis statis menunjukkan bahwa bahkan ketika selokan terisi penuh dengan makanan, tingkat tekanan mekanik secara signifikan lebih rendah dari nilai batas dan tidak dapat menjadi penyebab kehancuran struktur logam.


Analisis statis: distribusi tekanan setara menurut Mises pada pemuatan penuh selokan dengan makanan, MPa

Analisis frekuensi dari desain menunjukkan bahwa frekuensi beban harmonik eksternal dekat dengan frekuensi osilasi dalam bentuk eigen ke-3, yang dapat menyebabkan resonansi.



Apa yang akan terjadi pada desain bingkai dukungan ketika osilasi resonan terjadi?

Untuk menjawab pertanyaan ini, serangkaian perhitungan linear (modal dynamics) dan nonlinear dinamis dilakukan di mana kami dengan sengaja mencoba untuk memperkenalkan sistem ke resonansi. Parameter berikut bervariasi: frekuensi beban eksternal ± 15% dari nilai dasar, tingkat pengisian "tubuh" selokan dengan tepung (mempengaruhi karakteristik dinamis sistem) dan kekakuan pegas ± 15% dari nilai dasar. Nilai-nilai dari berbagai parameter dan kombinasinya diperoleh, yang mengarah pada penampilan osilasi resonansi.

Analisis mengungkapkan bahwa getaran resonansi menyebabkan interaksi kontak goncangan antara permukaan pembatas perjalanan. Tingkat tekanan mekanik pada saat dampak melebihi nilai batas, yang mungkin menjadi penyebab kehancuran struktur logam. Kami menemukan konfirmasi mengenai hal ini selama inspeksi berulang instalasi: pada saat inspeksi, tidak ada peredam karet pada sejumlah pembatas perjalanan; dua pembatas stroke ujung terdeformasi plastis, yang menunjukkan dampak selama operasi.


Analisis dinamik nonlinier: distribusi tegangan setara menurut Mises pada saat berdampak pada permukaan pembatas perjalanan, MPa

Berdasarkan hasil pekerjaan, kami membuat kesimpulan berikut - penyebab kehancuran yang paling mungkin adalah getaran resonansi struktur dan, sebagai akibatnya, interaksi kontak-goncangan pada permukaan pembatas perjalanan. Alasan terjadinya osilasi resonansi menurut model saat ini (dengan mempertimbangkan keakuratan data awal) hanya dapat dikatakan secara kondisional: operasi mesin pada kecepatan rotasi yang tidak dihitung; keausan gearbox dan mekanisme penggerak, yang mensyaratkan perubahan dalam frekuensi beban eksternal; "Kelelahan" dari mata air. Pekerjaan belum selesai, sekarang kami memperbarui model menggunakan data sumber yang diperbarui.

Dari sudut pandang penerapan metode elemen hingga (FEM) hingga penyelesaian masalah praktis dalam industri, proyek ini dengan jelas menunjukkan bahwa:

• FEM memungkinkan Anda untuk meneliti dan menganalisis proses yang tidak dapat diamati secara fisik, misalnya, karena pembatasan akses untuk tujuan keamanan, kondisi lingkungan atau proses yang terjadi dalam volume tertutup;
• analisis dilakukan menggunakan FEM dengan reproduksi fisika nyata proses yang cukup akurat, memungkinkan Anda mendeteksi parameter proses kritis, bahkan jika mereka tidak dirumuskan dalam hipotesis awal;
• salah satu keterbatasan utama dari aplikasi praktis FEM adalah kualitas data sumber yang tidak memadai yang kami temui di sebagian besar proyek kami.

Bagi pecinta informasi teknis, kami informasikan bahwa pekerjaan ini dilakukan menggunakan perangkat lunak SIMULIA Abaqus pada stasiun penyelesaian Lenovo ThinkStation P720 (prosesor Xeon Silver 4108, RAM 128 GB). Tergantung pada jenis analisis (statis atau dinamis), dimensi model numerik berkisar antara 50 hingga 300 ribu elemen hingga; Waktu perhitungan untuk model adalah sekitar beberapa menit untuk analisis statis dan hingga satu jam untuk analisis dinamis. Secara umum, semua pekerjaan dari awal pengumpulan data awal hingga pembentukan laporan dan mengeluarkan rekomendasi memakan waktu 1 bulan.

Artikel ini ditulis bersama rekan saya Dmitry Nushtaev, seorang insinyur struktural, Ph.D.