MATEMATICKÉ MODELOVANIE LISOVANIA ÚŽITKOVÉHO SKLA
ZA ÚČELOM ZRÝCHĽOVANIA TVAROVACIEHO PROCESU
KRMELA Jan1, KOVÁČ Ivan2, KREČMER Norbert3
Abstract
The work deals with problem of mathematical simulation pressing a part of glass product, during
production industrial glass. This technological process is divided into 16 positions, that are measured
temperature field of tools and molten glass by thermovision camera. In each position are defined boundary
conditions for computing of transient heat transfer from molten glass throught the tool to environment..
.
Keywords
FEA analyse, Transient heat transfer, thermovision, forming process, molten glass.
Úvod
Pretože sklársky priemysel predstavuje veľké objemy pri nízkych ziskových prirážkach,
prevádzková činnosť sa stáva kritickou. Cieľom tejto práce je práve optimalizovať proces výroby skla
využitím nových počítačových techník.
Pre efektívne riešenie problematiky zrýchľovania tvarovania bola použitá metóda konečných
prvkov (MKP,FEA) ktorá je efektívna pre riešenie úloh skladajúcich sa z tvarovo zložitých modelov
(tvarovacie nástroje). V práci je vytvorený MKP model celého lisovacieho nástroja, na ktorý sú
aplikované materiálové vlastnosti, okrajové podmienky a definícia kontaktov medzi jednotlivými
časťami zostavy. Výpočtový model je verifikovaný s experimentálnymi meraniami teploty
termovíznou kamerou.
1
2
3
J. Krmela, doc. Ing. Ph.D.: Katedra dopravních prostředků a diagnostiky, Dopravní fakulta Jana
Pernera, Univerzita Pardubice; Pardubice ČR; e-mail: [email protected] [email protected]
I. Kováč, Ing.: Katedra fyzikálneho inžinierstva materiálov, Fakulta priemyselných technológií
v Púchove, Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne; Púchov SK; e-mail:
[email protected]
N. Krečmer, Ing. Ph.D: RONA, a.s. Lednické Rovne, [email protected]
Opis procesu lisovania
Technologický proces lisovania vybraného sortimentu pozostáva zo 16. pozícií karuselu. Jedná sa o
proces lisovania, kde výsledným produktom je sústava štýlok-dýnko ( rozmery sú na Obr. 1), ktorá je
po vyhotovení východzím produktom a kontinuálne pokračuje do nasledujúceho technologického
procesu.
Obr. 1 Sústava štýlok-dýnko
Proces tvarovania skloviny začína byť z pohľadu obsahu tejto práce zaujímavý v mieste
dávkovania skloviny. Samotný proces lisovania a názorná schéma 16.pozícií karuselu je na Obr. 2.
Obr. 2 Schéma procesu lisovania
MKP model lisovacej stanice
3D model lisovacej stanice bol nakreslený v programe Autodesk Inventor a exportovaný do
prostredia MSC. Marc Mentat 2005.
Obr. 3 3D model lisovacej stanice
Z dôvodu príliš dlhých výpočtových časov zapríčinených nepostačujúcim hardvérovým
vybavením, bol navrhnutý zjednodušený výpočtový 3D model stanice.
Obr. 4 Zjednodušený 3D výpočtový model
Výsledky
Výpočtový proces lisovania sortimentu Linea pozostáva zo 16 na seba nadväzujúcich
pozícií, na ktorých sú zvlášť definované okrajové podmienky a taktiež parametre kontaktov
medzi jednotlivými časťami modelu. Každá z týchto 16-tich pozícií je rozdelená na 10
výpočtových krokov. Jeden výpočtový krok je 0.222s. Celý proces je zložený zo 160 krokov.
Výpočtový model je zložený zo 147127 elementov. Pre model boli použité 3D štvoruzlové
štvorsteny.
Pre realistický opis prestupu tepla bolo potrebné tento výpočet viacej krát zopakovať z
dôvodu teplotnej zotrvačnosti foriem a skloviny. Na začiatku výpočtu sú nastavené
homogénne rozložené teplotné počiatočné podmienky v nástrojoch a v sklovine (viď vyššie).
Po jednej otáčke sa nedosiahne rovnováha medzi prijatým teplom od skloviny a odovzdaným
teplom do okolia. Preto je potrebné tento výpočet cyklovať, pokiaľ sa teploty neustália na
kvázi stacionárnych priebehoch. Tento jav znázorňuje Obr. 5 . Tento graf je zložený zo 60
otočiek karuselu. Z grafu je vidieť postupná stabilizácia vybraných teplôt na nástrojoch.
Obr. 5 Priebeh uzlových bodov počas 60 otočiek karusela, čo odpovedá 2131s.
Na Obr. 6 môžeme vidieť teplotné pole v nástroji po skočení výpočtu. Podobne na Obr. 7
vidíme hodnoty namerané pomocou termovíznej kamery.
Obr. 6 Teplotné pole v nástroji po skončení výpočtu.
Dýnko
Priemerná
376°C
teplota
formy:
Forma
Zákl.doska
Priem. teplota: 387°C
Max. teplota štýlku : 760°C
Teplota dosky: 349°C
Teplota drž. holbona: 369°C
Obr. 7 Hodnoty namerané termovíznou kamerou.
Záver
Metódou MKP (Metóda konečných prvkov) boli namodelované deje počas procesu lisovania
skloviny v programe MSC. Marc Mentad 2005. Z dôvodu slabého hardvérového vybavenia z čoho
vyplývajú dlhé výpočtové časy bol namodelovaný 3D rez. Aj napriek dlhým výpočtovým časom (cca.
12 hod.) sa dospelo k výsledkom výpočtu teplotných polí, teplotných gradientov a tepelných tokov v
nástrojoch a v sklovine. Výpočty boli opakované pre dosiahnutie rovnováhy medzi dodaným a
odovzdaným teplom.
Pri mapovaní technologického procesu boli uskutočnené termovízne merania. Z grafov je vidieť, že
vypočítané teploty neodpovedajú nameraným hodnotám. Tieto odchýlky sú spôsobené nepresným
určeným parametrov potrebných pre definovanie teplotných okrajových podmienok (súčiniteľ
prestupu tepla, teplota, emisivita nástroja). Pri takto zložitom modelovaní technologického procesu
tvarovania je problematické tieto parametre určiť. Parametre sa spresňujú pri ďalších opakovacích
(verifikačných) výpočtoch. Ďalšie nepresnosti nastali zjednodušeným 3D rezom, ktorý presne
neopisuje skutočný nástroj. V skutočnom nástroji je značné množstvo tepla odvádzané zadnou časťou
nástroja, ktorá nebola modelovaná v prezentovanom 3D reze. Výpočet kompletného 3D modelu by
nebol možný z dôvodu hardvérových kapacít.
Predkladaná práca má prínos v oblasti aplikovaného výskumu. Práca sa zaoberá riešením
reálnych úloh z praxe a využíva vedecké metódy pre riešenie. Táto práca MKP modelovania a
zrýchľovania bude ďalej pokračovať v riešení, pretože je súčasťou projektu, ktorý získala
spoločnosť RONA z Operačného programu výskumu a vývoja s názvom: Priemyselný výskum
pre potreby zefektívnenia unikátnej technológie tavenia a tvarovania úžitkového skla. Projekt
bude trvať v období 2010-2014. V tomto projekte bude zakúpený hardvér, ktorý bude spĺňať
nároky komplexného výpočtu lisovania úžitkového skla.
Acknowledgement
Táto práca je podporovaná z projektu EU operačného programu Výskum a Vývoj s názvom
(OPVaV) Priemyselný výskum pre potreby zefektívnenia unikátnej technológie tavenia a
tvarovania úžitkového skla.
ITMS kód: 26220220072
Literatúra
[1]
Vrábel, P., Šimurka, P., Cúth, V., Krečmer, N.: Modeling of the Pressing Process in Glass Stemware
Production: Stress in Glass. Ceramics-Silikáty, 51(2), 2007,
[2]
P(119-124).
Krečmer, N., Cúth, V., Vrábel, P.: Influence of thermal inhomogeneity on some glass defects in tableware
blowing process. XXI International congress on Glass, ICG2007, Strasbourg, 2007.
[3]
Krečmer, N., Cúth, V., Rusnáková, S., Mokryšová, M., Mošková, Z., Ružiak, I., Kopal, I., Kučerová, J.,
Koštial, P., Vrábel, P.: Influence of thermal inhomogeneity on some glass defects in tableware blowing
process. Proceedings of the 2 nd Manufacturing Engineering Society International Conference, CESIF’07MESIC’07, Madrid 2007.
[4]
Vrábel, P., Krečmer, N., Cúth, V.: Modeling of Some Quality Aspects in Tableware Forming Processes.
9th INTERNATIONAL SEMINAR Mathematical Modeling of Furnace Design and Operation, 1st
GLASS FORMING SIMULATION WORKSHOP, Velké Karlovice, 2007.
[5]
Krečmer, N., Cúth, V., Vrábel, P.: Numerical simulation of forming instrument modification during glass
forming. 12th International Conference on Glass Producing Machines, Liberec, 2006.
[6]
Krečmer, N, Cúth, V.: Temperature load simulation during blowing process of glass melt. 5th YSESM,
Púchov, 2006.
[7]
Krečmer, N., Cúth, V.: Pressing process simulation of molten glass during assembly line production. The
12th International Conference on Problems of Material Engineering, Mechanics and Design, Jasná 2007.
[8]
Krmela J.: Systémový přístup k výpočtovému modelování pneumatik I. Brno, 2008, 102 s. ISBN 978-807399-365-8.
Abstrakt
Predkladaná práca sa zaoberá problematikou matematického modelovania technologického procesu
lisovania časti skleneného výrobku, počas výroby úžitkového skla. Technologický proces lisovania je
rozdelený na 16 pozícií, kde sú merané teplotné polia nástrojov a skloviny termovíznou kamerou. V každej
pozícií sú definované okrajové podmienky pre výpočet nestacionárneho prestupu tepla zo skloviny cez
nástroj do okolia..
Kľúčové slová
MKP modelovanie, Nestacionárny prestup tepla, Termovízia, Sklovina
Download

FE modeling 4.pdf