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 как 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, что приводит к изменению положения инфракрасных излучателей, и что более страшно иногда к их разрушению и выходу их строя. Также это приводит к деформации рамы и у лентопротяжного механизма и как следствие сходу ленты с барабанов.
Предварительный инженерный расчет расширения метала 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 этом 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 использовался 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, в отверстиях, где они устанавливаются, также при расчете был учтен вес элемента для этого было задано направление и величина ускорения свободного падения.
Для учета температурных деформаций в свойствах материала был задан так называемый 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 в возникновении напряжений в местах крепления и рядом превышающих предел текучести (серый цвет), а где-то и прочности.
На практике разрушений и даже пластических деформаций 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 не крепить отражатель жестко к корпусу, а через упругие элементы, которые бы воспринимали деформации и сбрасываемые напряжения от отражателя на себя и обеспечивали подвижность его в направление 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 местах, где напряжения составляли от десятков до сотен МПа упали до единиц 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.