Ottimizzazione delle apparecchiature industriali con DEM-FEA per l’analisi statica

Accoppiamento del Metodo degli Elementi Discreti (DEM) e dell’Analisi degli Elementi Finiti (FEA) per migliorare le prestazioni della carrozzeria dei camion: minimizzare il peso mantenendo la resistenza.

Sfide

Le industrie che trattano materiali sfusi o attrezzature pesanti devono affrontare sfide significative legate alle prestazioni strutturali, all’usura e all’efficienza operativa. I metodi di progettazione tradizionali si basano spesso su prove sperimentali e correlazioni empiriche, che possono essere costose, lunghe e di portata limitata. È qui che si inserisce la simulazione computazionale, in particolare l’accoppiamento di Metodo degli elementi discreti (DEM) e Analisi agli elementi finiti (FEA) diventa uno strumento potente. Le sfide principali che alcune industrie devono affrontare includono:

Integrità strutturale sotto carichi pesanti

• Estrazione mineraria. I pianali dei dumper e le benne degli escavatori subiscono ripetuti impatti con la roccia, provocando affaticamento e crepe.
• Cemento. I forni rotativi subiscono uno stress meccanico dovuto al movimento del clinker.

Usura e degrado dei materiali

• Estrazione mineraria. Le condutture e le pompe per liquami si erodono a causa dei flussi di particelle abrasive.
• Acciaio. Le tramogge degli altiforni si usurano a causa dell’impatto continuo del minerale di ferro.

Distribuzione del carico e concentrazione delle sollecitazioni

• Agricoltura e alimentazione. I silos sviluppano concentrazioni di stress a causa del flusso irregolare dei cereali.
• Filtrazione industriale. I cicloni che trattano le polveri subiscono lo stress strutturale delle particelle ad alta velocità.

Ottimizzazione del peso e dell’utilizzo dei materiali

• Macchinari pesanti. I telai dei nastri trasportatori devono essere leggeri ma resistenti ai carichi d’urto.
• Automotive. I rimorchi per il trasporto di materiali sfusi richiedono l’ottimizzazione dei materiali per ridurre il peso e mantenere la durata.

Soluzioni ingegneristiche

Il accoppiamento del Metodo degli Elementi Discreti (DEM) e dell’Analisi degli Elementi Finiti (FEA) offre una soluzione potente per valutare le prestazioni strutturali delle apparecchiature che trattano materiali sfusi. Integrando le interazioni delle particelle con la risposta strutturale, questo approccio permette agli ingegneri di prevedere usura, distribuzione delle sollecitazioni e fatica, ottimizzare i progetti per una maggiore durata ed efficienza.

Metodi

Per valutare con precisione le forze d’impatto sulla carrozzeria di un camion e determinare le sollecitazioni strutturali che ne derivano, gli ingegneri si affidano a due potenti metodi numerici: la Metodo degli elementi discreti (DEM) e il Metodo degli elementi finiti (FEM o FEA). Ogni metodo svolge un ruolo cruciale nella comprensione di diversi aspetti del problema.

• DEM viene utilizzato per simulare il comportamento delle particelle (come i frammenti di roccia) durante il carico. Fornisce informazioni fondamentali sul modo in cui le rocce interagiscono, sulle loro velocità, sui luoghi di impatto e sulle forze risultanti applicate. alla carrozzeria del camion. Per ottenere risultati realistici, gli ingegneri devono definire i parametri di input critici come distribuzione dimensionale delle rocce, forma, densità e proprietà meccaniche.
• FEA si concentra sulla risposta strutturale alle diverse forze. Consente agli ingegneri di analizzare la distribuzione delle sollecitazioni, la deformazione e le potenziali zone di cedimento della based sulle proprietà dei materiali dei componenti strutturali. Gli input essenziali includono le proprietà dei materiali, le informazioni sui supporti e sullo stato di carico e i limiti di fatica.

Al di là di queste capacità fondamentali, l’approccio DEM-FEA permette di avvantaggiareanalisi avanzate, come la geometria l’ottimizzazione, la previsione della fatica e la valutazione dell’energia d’impatto, dandoagli ingegneri una comprensione più approfondita del modo in cui i materiali sfusi influenzano i componenti strutturali nel tempo. Questa metodologia è essenziale per le industrie che cercano di aumentare la durata, ridurre i costi di manutenzione e migliorare l’efficienza operativa.

Per dimostrare la potenza di questo approccio, presentiamo una sull’analisi strutturale e l’ottimizzazione del cassone ribaltabile di un autocarro dove viene applicata la DEM-FEA per valutare i carichi dei materiali, i livelli di stress e i miglioramenti del progetto. Ansys Rocky è lo strumento DEM che consente di gestire particelle con forme, dimensioni (comprese le distribuzioni), tipi di ingresso delle particelle e così via. La tabella seguente mostra alcuni tipi di particelle generali (in colore rosso) e le forme che si possono ottenere modificando alcuni parametri interni.

Risultati

Per questa dimostrazione, viene analizzato un cassone ribaltabile di un camion di 3,3 m x 1,7 m x 0,95 m. Si ipotizza che il materiale sfuso – rocce con una distribuzione granulometrica (PSD) – venga rilasciato per riempire il cassone. I moduli coinvolti nel flusso di lavoro sono descritti di seguito:

• Modulo A: Geometria della superficie del cassone ribaltabile
• Modulo B: Modulo Rocky per risolvere la simulazione DEM
• Modulo C: Geometria della superficie del dumper e dei supporti strutturali
• Modulo D: Analisi strutturale statica in meccanica
• Modulo E: Ottimizzazione diretta

La geometria in Modulo A è mostrato in basso a sinistra l’animazione dei massi che riempiono la scatola. L’animazione a destra è una vista dal basso per osservare la grandezza e la posizione istantanea della forza verticale (asse Y) generata dall’impatto dei massi. Rocce in Modulo B prevede anche la generazione di grafici temporali per identificare il comportamento di una variabile nel tempo. Si noti che la forza massima di -101.296 N viene prodotta quando t = 2,95 s. Successivamente, l’insieme dei risultati della pressione viene esportato in Ansys Mechanical. L’utente può selezionare tra queste opzioni per esportare la pressione: tutti gli istanti, l’ultima uscita, l’intervallo di tempo, il tempo specifico e dopo il tempo. Il tempo di simulazione totale trascorso è stato determinato in 140 s (2 min 20 s).

La geometria in Modulo Ccompresi i supporti, serve come input per il modulo Analisi strutturale statica in Modulo D. La dimensione delle maglie deve essere simile a quella utilizzata nel modulo analisi DEM per garantire la coerenza nel trasferimento del carico. Una volta che i risultati sono aggiornati nel Modulo RockyLa pressione – importata come carico – può essere impostata correttamente e apparirà come mostrato nell’immagine sottostante. Il tempo di simulazione per questo caso è relativamente breve.

A supporto fisso viene utilizzato anche per generare il forza di reazione verticale di 101,570 Nche viene poi confrontato con il valore calcolato in Rocky a 2,95 s pari a 101,296 N. Per questo progetto iniziale, ci sono tre supportie il lo spessore della calotta è di 10 mm. In base ai risultati, questo design richiede un miglioramento, in quanto la livello di sollecitazioni è vicino al limite di snervamento (250 MPa) e il fattore di sicurezza è 1,16.

Ottimizzazione

Per la riprogettazione, si considerano i seguenti parametri:

• Ingressi. [1] spessore della piastra (tra 1-20 mm), [2] numero di supporti (tra 3-6).
• Uscite. [1] Massa del piatto, [2] Deformazione massima, [3] Sollecitazione massima equivalente, [4] fattore minimo di sicurezza statica.

Il Lo strumento Ottimizzazione diretta in Modulo D viene utilizzato per migliorare la geometria e la resistenza del corpo del dumper. Questo modulo si basa sul metodo Adaptive Single-Objective per minimizzare la massa della piastra (obiettivo: 0), imponendo al contempo dei vincoli sulla sollecitazione equivalente massima (200 MPa) e sul fattore di sicurezza minimo (1,5). Utilizzando le impostazioni predefinite, vengono generati e risolti automaticamente 33 punti di progettazione aggiuntivi, eliminando la necessità di riaprire Ansys Rocky o Mechanical. Il numero di supporti viene arrotondato a un numero intero. Il tempo di simulazione per ogni punto di progettazione rimane simile a quello del progetto iniziale sia in Ansys Rocky che in Mechanical.

Di conseguenza, il modulo di Ottimizzazione diretta identifica tre punti candidati che soddisfano tutte le condizioni definite nella fase precedente. Questi sono mostrati nella figura successiva. Si noti che la massa è contrassegnata da una stella, a indicare che è ancora ‘lontana’ da zero (l’obiettivo), ma i valori rimangono accettabili. Ricordiamo che il “Parametro 1” si riferisce al numero di supporti, che viene arrotondato di conseguenza a un numero intero. Con queste informazioni, l’ingegnere o il progettista può prendere decisioni informate su come procedere con il progetto.

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