Анализ напряженно-деформированного состояния элементов тоннельной печи
При работе над заказом по проектированию 3х метровой тоннельной печи для поточной вулканизации мощностью 26 кВт встала задача проведения расчетов напряженно-деформированного состояния элементов конструкции, таких как рама (основной несущий элемент) и отражатель.
Особенностью этого проекта был расчет не рамы, как основного металлоёмкого элемента, а отражателей, работающих при значительных тепловых нагрузках 250 °С.
Как показал опыт изготовления и эксплуатации такого типа печей, при нагреве отражателя, жестко прикреплённого к корпусу пресса, происходит значительная его деформация. Это приводит к изменению положения инфракрасных излучателей, а в некоторых случаях — к их разрушению и выходу из строя. Также это приводит к деформации рамы у лентопротяжного механизма, и, как следствие, сходу ленты с барабанов.
Предварительный инженерный расчет расширения металла отражателя при нагреве до 250 °С показал, что отражатель длиной в один метр удлиняется до 5 мм, а его ширина увеличивается на 1 мм.
Поэтому в данном проекте целью расчета было определение распределения напряжений и деформаций, коэффициентов запаса по пределу текучести, максимальных прогибов в конструкции отражателя с учетом температурных деформаций.
Для построения модели рассчитываемого элемента использовалась бесплатная параметрическая САПР общего назначения FreeCAD.
Далее модель сохранялась в формате STEP для передачи в программу PrePoMax, в которой проводилась подготовка исходных данных для расчета и анализ результатов расчета. Подготовка заключалась в импорте геометрии модели, разбиение на конечные элементы и задание свойств материала, нагрузок и закреплений.
Конечно-элементная сетка была создана автоматически из тетраэдров типа C3D10, их количество составило около 860000 элементов.
Закрепления были заданы в первом расчете по бокам отражателя, во втором и последующих — в отверстиях упругих элементов.
Нагрузки от инфракрасных излучателей, равные их весу, прикладывались в местах их установки (отверстиях). Для учета веса отражателя задавались направление и величина ускорения свободного падения.
Для учета температурных деформаций в свойствах материала был задан коэффициент линейного теплового расширения и начальное распределение температуры, одинаковое по всей детали и равное 250 °С.
Таким образом, был подготовлен вариант расчета с жестким закреплением по бокам отражателя.
После подготовки варианта расчета был проведен расчет методом конечных элементов с помощью CalculiX.
При расчете использовался решатель Pardiso в параллельном режиме на компьютере с использованием 16 ядер процессора Intel Core i9-12900KF и 64 ГБ основной памяти.
Как видно из результатов расчета, при таком виде крепления отражателя происходят деформации отражателя с потерей его формы, а также возникновение напряжений в местах крепления и рядом, превышающих предел текучести (серый цвет), а где-то и прочности.
На практике разрушения и даже пластические деформации не возникают, потому что абсолютной жесткой заделки на практике не реализовать.
Но эти напряжения сбрасываются на другие элементы конструкции печи, к которым прикреплён отражатель, такие как корпус и рама, что приводит к их деформации.
Поэтому было принято решение крепить отражатель не жестко к корпусу, а через упругие элементы, которые бы воспринимали деформации и сбрасываемые напряжения от отражателя на себя и обеспечивали подвижность его в направлении температурных расширений.
Также в окончательной конструкции были заложены температурные зазоры.
Для подтверждения принятых решений были проведены расчеты (см. рисунок ниже), при которых были подобраны форма и размеры упругих элементов.
Как видно из расчета, при температурном расширении отражателя форму он почти не меняет, а распределение напряжений существенно изменилось. В областях, где напряжения ранее достигали десятков и сотем МПа, их значения снизились до 1-20 МПа. Повышенные напряжения, выше предела текучести (область серого цвета), остались только в местах крепления упругих элементов, так как это концентраторы напряжений и требуют усиления, что будет сделано при следующей итерации проектирования.
По результатам проектирования подготовлена конструкторская документация, в состав которой вошли чертежи для лазерной резки и гибки элементов конструкции из листового метала и сборочные чертежи.