автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования шнековых экструдеров с использованием конечно-элементной модели перерабатываемого материала

На правах рукописи

ШЕВЧЕНКО Максим Николаевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (машиностроение, технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОЕВ Ж\1

Оренбург 2012

005010678

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Пищухии Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кривошеев Игорь Александрович

кандидат технических наук, доцент Сергеев Александр Иванович

Ведущая организация -

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального об-

разования «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится «18» февраля 2012 года в «11:00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.06 при ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, ауд. 6205

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан «18» января 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. тех. наук, доцент

Актуальность темы. Экструзионные технологии применяются в различных отраслях производства. Достоинства экструзионных технологий состоят в непрерывности процесса и совмещении технологических операций (перемешивания, прессования, формовки и т.п.), обеспечивающих высокую производительность при рационально выбранной конструкции экструдера и оптимальных технологических режимах его работы.

Множество вариантов конструкций и типоразмеров экструдеров, обусловленное многообразием перерабатываемых материалов, требует применения современных средств вычислительной техники для поиска и принятия оптимальных проектных решений, реализуемых системой автоматизированного проектирования. Совершенствование процессов проектирования на основе моделирования процесса функционирования экструдера, автоматизации необходимых расчетов позволяет оптимизировать выбор параметров конструкции экструдера и технологических режимов его функционирования, что имеет существенную практическую ценность.

Выбор оптимального проектного решения шнекового экструдера требует проведения расчетов полей напряжений, температур, скоростей в перерабатываемом материале с учётом его реологических и теплопроводных свойств. В настоящий момент эти вопросы решаются на основе частичной автоматизации отдельных расчетов (с помощью программных систем AutoCAD, SolidWorks, Компас и др., позволяющих определить, например, массово-инерционные характеристики конструкций). Инженерные расчеты шнековых экструдеров, чаще всего, осуществляются по приближенным эмпирическим формулам с большим количеством допущений, в том числе с упрощением реологических свойств перерабатываемых материалов.

Разработка интегрированного интерактивного комплекса анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров с учетом реологических и теплопроводных свойств перерабатываемых материалов позволит сократить сроки создания и ввода в эксплуатацию образцов новой техники.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Анализ и синтез информационных и технических систем» (гос. per. № 01200902662).

Цель работы - разработка метода формализованного описания процессов экструдирования для создания САПР шнековых экструдеров.

Задачи исследования:

1) разработать математические модели, описывающие скорость перемещения и напряжённое состояние перерабатываемого материала в рабочем пространстве шнекового экструдера;

2) разработать конечно-элементный алгоритм, связывающий разработанные модели процесса экструдирования с конструктивными параметрами шнекового экструдера и параметрами эффекта (потребляемой мощностью и производительностью);

3) разработать программные модули системы инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров;

4) исследовать возможности разработанной системы инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров.

Объект исследования - процесс проектирования шнековых экструдеров.

Предмет исследования - формализация процессов инженерного анализа проектных решений шнековых экструдеров.

Научной новизной обладают:

- математическая модель, описывающая динамику процесса экструдиро-вания с учетом изменяющихся свойств перерабатываемого материала;

- метод использования конечно-элементного анализа для формализованного описания свойств перерабатываемого материала, технологии экструдиро-вания, конструктивных параметров и параметров эффекта шнекового экструдера;

- метод автоматизации инженерного анализа проектных решений шнековых экструдеров, включающий разработанное математическое, алгоритмическое, информационное, программное и методическое обеспечение, позволяющий повысить эффективность процессов анализа и синтеза проектных решений.

Практическую значимость имеют:

- методика формализованного описания напряженного состояния перерабатываемого материала в рабочем пространстве шнекового экструдера;

- программные модули инженерного анализа и оптимизации параметров конструкции шнекового экструдера;

- система инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров как совокупность реализованных в программном коде алгоритмов и информационного обеспечения базы данных.

Методы исследования. Использовались метод конечных элементов, принципы системного анализа, методы дифференциального и интегрального исчисления, методы механики сплошных сред, методы уравнений математической физики, численные методы, технологии объектно-ориентированного программирования.

Реализация результатов работы. Прикладные разработки и результаты исследовательской деятельности использованы в форме методик расчета оптимальных технологических режимов в ООО «Сладкая жизнь», приняты к внедрению на ОАО «Оренбургский станкозавод» для проектирования новых конструкций шнековых экструдеров, используются в учебном процессе на кафедре систем автоматизации производства и кафедре машин и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, в том числе: на IV, VII, VIII, IX всероссийских научно-практических конференциях (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2005, 2008,

2009, 2010); на межвузовском научном семинаре «Актуальные проблемы ин-

формационных технологий теории управления» (Оренбург, 2007); на международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); на научно-практических семинарах кафедры систем автоматизации производства ФГБОУ ВПО ОГУ (Оренбург, 2010-2011).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, патент на изобретение и зарегистрированное программное средство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы 163 страницы машинописного текста, включая 45 рисунков, 6 таблиц и список источников из 151 наименования.

Положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель, описывающая динамику процесса экструдиро-вания с учетом изменяющихся свойств перерабатываемого материала;

2) конечно-элементная модель рабочего пространства шнекового экструдера, объединяющая свойства перерабатываемого материала, технологию экс-трудирования, конструктивные параметры и параметры эффекта шнекового экструдера;

3) метод автоматизированного инженерного анализа проектных решений шнековых экструдеров, включающий разработанное математическое, алгоритмическое, информационное, программное и методическое обеспечение, позволяющий повысить эффективность процессов анализа и синтеза проектных решений;

4) закономерности, устанавливающие влияние конструктивных парамет-

ров, а также свойств перерабатываемого материала на параметры эффекта шнекового экструдера; .

5) программные модули инженерного анализа и оптимизации параметров конструкции шнекового экструдера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, поставлены цель и задачи работы, охарактеризована научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ научных публикаций в области автоматизации проектирования шнековых экструдеров.

Разработкой теории шнековых экструдеров занимались многие ученые: Бердышев Б.В., Груздев И.Э., Дергачев М.В., Зубкова Т.М., Клинков А.С., Мирзоев Р.Г., Няшин Ю.И., Полищук В.Ю., Скульский О.И., Славнов Е.В., Торнер Р.В., Янков В.И. и другие.

Конструкция шнекового экструдера (рис. 1) включает следующие основные узлы: рабочая пара (шнек 1 и корпус 2), формующая матрица 3, загрузоч-

ное устройство 4, привод вращения, узел упорного подшипника, узел подачи термостатирующей жидкости.

В качестве теоретической основы расчетов течения перерабатываемого материала рассматривается механика пластичных материалов и жидкостей. Процесс его течения в каналах нарезки шнека описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка: неразрывности, движения, энергии и реологического уравнения.

1 2 3

Рисунок 1 - Схема шнекового экструдера

Поскольку общего решения данной системы уравнений на настоящий момент времени не найдено, существующие методики расчета шнековых экструдеров базируются на всевозможных упрощениях, ограничениях реологических свойств материала, использовании эмпирических закономерностей и конструктивных упрощениях. Альтернативой таким подходам может быть использование конечно-элементного метода расчета и разработка программной системы, производящей необходимые инженерные расчеты с минимальным количеством допущений и ограничений модели.

В этой же главе рассмотрено текущее состояние в области САПР, принципы построения и типовые элементы систем. В качестве основного метода инженерных расчетов в САПР предлагается использовать метод конечных элементов, обладающий необходимой универсальностью и инвариантностью по отношению к изменениям конструктивных параметров.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе исследован процесс движения перерабатываемого материала в шнековом экструдере, предложено его формализованное описание и разработаны необходимые математические модели.

Математическое описание движения перерабатываемого материала внутри цилиндра шнекового экструдера осложняется тем, что материал проявляет различные физические свойства в зависимости от той степени, в которой он уже был подвергнут обработке.

В соответствии с этим, целесообразно выделить несколько зон рабочего пространства (рис. 1), внутри которых механические свойства материала могут быть описаны в рамках известных зависимостей.

1. Зона жидкотекучести. В непосредственной близости к матрице материал находится в достаточно перемешанном состоянии, близком к сплошной среде в классическом ее понимании. Давление, обусловленное сопротивлением матрицы выпрессовыванию продукта, с одной стороны, и напором поступающего в эту зону под действием вращающегося шнека материала, с другой, - передается во всех направлениях без изменений в соответствии с законом Паскаля. Движение материала описывается уравнениями Навье-Стокса и уравнением неразрывности:

^. = -(у-У)у + ,иДу-—Ур + /,

81 р (1)

У-? = 0,

где V — оператор Гамильтона, Д — оператор Лапласа, I — время, р — ньютоновская вязкость материала, р — плотность, р — давление, у = {у„^у,м,)

— векторное поле скоростей, / — векторное поле массовых сил.

2. Зона смешивания и прессования. В этой зоне смешивание еще не завершено, а давление мало по сравнению с предыдущей зоной; материал проявляет свойства псевдопластического тела. Механические свойства материала представляются реологическим уравнением. Для большинства материалов эти свойства описываются либо степенным уравнением Оствальда - де Виля: т = М> 17 Г"' 7, либо уравнением Бингама: т = т0+ р0у, где у — скорость сдвига материала; т — напряжение сдвига в материале; п — индекс течения материала; р0 — эффективная вязкость материала, г0— начальное напряжение. Условием согласования с предыдущей зоной является равенство давления в зоне жидкотекучести нормальному напряжению в зоне смешивания и прессования.

3. Зона уплотнения. В этой зоне происходит интенсивное вытеснение подмешанного при заполнении воздуха и уплотнение перерабатываемого материала. Условием согласования с зоной смешивания и прессования можно выбрать равенство нулю касательных и нормальных напряжений. Расчетная модель движения перерабатываемого материала аналогична модели для предыдущей зоны, за исключением уравнения неразрывности материала, из-за сжимаемости материала.

4. Зона заполнения. В этой зоне в экструдер поступает исходный материал. Обычно это происходит под действием силы тяжести, но возможно и под-давливание материала предыдущим смешивающим устройством. Присутствует проблема непрерывности подачи. Условием согласования с зоной уплотнения является возникновение нормальных напряжений, параллельных оси экструдера. В этой зоне для количественного анализа может быть применен статистический подход, с исследованием таких величин, как средний размер воздушных пустот и их количество на единицу объема материала.

Поскольку основные показатели шнекового экструдера обусловлены его устройством и поведением материала в зоне смешивания и прессования, уделим далее основное внимание ей.

Для расчета напряженного состояния перерабатываемого материала зона смешивания и прессования разбивается на конечные элементы. Предлагается следующая последовательность разбиения (рис. 2):

1) плоскостями, перпендикулярными оси шнека, пространство разбивается на диски;

2) диски разбиваются на кольца при помощи цилиндрических поверхностей, ось которых совпадает с осью шнека;

3) рассекая кольца радиальными плоскостями, получаем секторные доли.

1 - элемент, соседствующий с лопастью; 2 - элемент, не соседствующий с лопастью; 3 - элемент, завершающий кольцо; 4 - лопасть Рисунок 2 - Схема разбиения рабочего пространства на конечные элементы

Возможные альтернативные методики разбиения, использующие поверхности, связанные с каналом шнека (например, плоскостей, перпендикулярных оси канала), приводят к косоугольным системам координат и к необходимости выполнения сложных преобразований для перехода к системе координат, связанной с неподвижным корпусом, для расчета параметров эффекта шнекового экструдера.

В каждом кольце по признаку соседства с лопастью шнека выделены элементы трех видов: 1) соседствующий с лопастью и испытывающий сообщаемое ей напряжение, геометрически аппроксимируемый треугольной призмой; 2) не соседствующие с лопастью, геометрически аппроксимируемые прямоугольными параллелепипедами; 3) завершающий кольцо и являющийся зеркальным отражением элемента вида 1 относительно лопасти.

Динамическое равновесие элементов видов 1,2 и 3 определяется совокупным действием сил, действующих на них (рис. 3). Ось х направлена в окружном направлении, ось у — параллельно оси шнека, ось 2 - в направлении от вала шнека к корпусу.

4

Ж

/.

Рисунок 3 - Модели конечных элементов видов 1,2,3

Исходя из предположения, что сумма сил и сумма моментов, действующих на элементы видов 1, 2 и 3 равны нулю, получены системы уравнений равновесия. Например, уравнения равновесия для элемента вида 1 в стационарном режиме:

Аналогичные системы уравнений равновесия получены и для элементов видов 2,3. Показано, что для любых ненулевых размеров элементов уравнения, входящие в составленные системы, линейно независимы.

Полученные системы уравнений следует разрешать при краевых условиях, заданных конструкцией шнекового экструдера и технологией экструзии. Для элементов первого диска, граничащих с зоной жидкотекучести, р и тх определяются исходя из давления в этой зоне, а для последующих дисков - исходя из ранее рассчитанных элементов предыдущих дисков. Принято, что напряжения, отмеченные на боковых гранях конечных элементов (а,,х„,х^) и на

Гг,ДхДг + ст.ЛуЛг + (г„ + г„')

- сгДуДг = О,

(2)

-оДхДг— = 0, 2

их горизонтальных гранях (<тг,т„,г*,,) передаются от каждого элемента к граничащему с ним в соответствии с законом Ньютона о равенстве действия и противодействия.

Для однозначного разрешения полученных систем уравнений необходимо дополнить их уравнениями энергетического баланса и реологии. Ввиду стационарности рассматриваемого процесса, механические и термодинамические характеристики не изменяются во времени. Следовательно, работа сил вязкого трения, производимая за малый промежуток времени (к внутри объема конечного элемента перерабатываемого материала д¥ равна количеству теплоты д<2, отводимому от него за это время:

дЛ = 56

дУд! дУЫ' У ’

Воспользуемся уравнением теплопроводности, имеющим вид

сГ—+ у-уг1 = /су2г—(4) {д! ) 8У 9/ 4 '

где с - теплоемкость элементарного объема перерабатываемого материала; к - коэффициент теплопроводности перерабатываемого материала; V -оператор Гамильтона; V - скорость движения перерабатываемого материала.

Для случая установившихся температур (— = о] уравнение (4) упрощается.

Работа сил вязкого трения внутри бесконечно малого объема перерабатываемого материала является функцией векторов напряжений и скоростей сдвига, а общая работа сил вязкого трения внутри рассчитываемого конечного элемента определяется интегрированием по его объему.

Векторы скоростей сдвига у выражаются через напряжения г в соответствии с реологическим уравнением перерабатываемого материала

г = /}(г, Т)у, (5)

где - эффективная вязкость, зависящая в общем случае от прила-

гаемого напряжения сдвига и температуры.

В пределах небольшого конечного элемента внутреннее распределение напряжений г вдоль оси можно считать приближенно линейным, т.е. определенным граничными значениями г0 и г,:

т = у/(.т1-г0)+та. (6)

Решение полученной системы уравнений осуществляется с применением численных методов.

Объемная производительность шнекового экструдера определяется формулой

где Уи - скорость прямотока вдоль оси канала; / - ширина канала; А - глубина канала.

Интеграл от функции, заданной таблично, находится с помощью численных методов. Для нахождения производительности шнекового экструдера необходимо знать плотность материала р:

<2=р0у- (8)

Потребляемая мощность N выражается через угловую скорость и момент вращения М шнека:

N = Мт. (9)

Время движения перерабатываемого материала в канале зоны смешивания и прессования определяется по формуле

( _ я(Р + </)ЛУг/

2(2г

где £> - внутренний диаметр корпуса; Л - диаметр вала шнека; Ыв - количество витков в зоне смешивания и прессования.

В третьей главе разработано алгоритмическое, информационное и программное обеспечение САПР шнековых экструдеров: разработаны структурнофункциональная схема САПР (рис. 4), основные алгоритмы, БД конструкций и примитивов, описаны разработанные программные модули. :

Параметры конструкции: Д сі, *. А, Ад

Параметры технологии: р, М, Т

Параметры материала: цо,пм,р

Модуль

инженерного

анализа

САПР

шнековых

экструдеров

Модуль оп-

тимизации

параметров

конструкции

Напряжения и скорости сдвига в материале: т,у

Параметры эффекта: N. 2

Зависимости вида: А-ДВ) V х1,х2, ... ,хл= сопзі, В=уаг_________

Рисунок 4 - Структурно-функциональная схема САПР шнековых экструдеров

Схема разработанного алгоритма инженерного анализа проектного решения шнекового экструдера показана на рис. 5.

Выбор математической модели

Адаптация к местоположению элемента

I

Решение системы уравнений

Вычисление

параметров

эффекта

Конец

Рисунок 5 - Алгоритм инженерного анализа проектного решения шнекового экструдера

На основе предложенных математических моделей и алгоритмов разработана система инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров, экранные формы которой представлены на рис. 6.

В четвертой главе произведена верификация разработанной САПР, представлены результаты натурных и вычислительных экспериментов.

Для верификации программного обеспечения разработанной САПР выполнены вычислительные эксперименты, повторяющие условия натурных экспериментов с использованием трех шнеков различной геометрии и трех видов материалов с различными реологическими свойствами. Построены графики зависимостей потребляемой мощности и производительности шнекового экструдера от угловой скорости вращения шнека (рис. 7).

Рисунок 6 - Экранные формы разработанной САПР шнековых экструдеров

Проведенное исследование позволило определить, что относительная ошибка в тестовых условиях не превышает 6,3%.

С помощью разработанной САПР получены зависимости параметров эффекта (потребляемой мощности и производительности) от конструктивных (диаметр корпуса, диаметр вала, шаг винтовой линии и высота лопасти шнека), технологических (рабочее давление, температура) параметров и свойств перерабатываемого материала. Вычисления производились для двух видов перерабатываемых материалов, описываемых различными реологическими законами: законом Оствальда - де Виля и законом Бингама-Шведова.

13

ушшо—Расчет ♦ Эксперимент Расчет ♦—Эксперимент

а - потребляемая мощность б - производительность

Рисунок 7 - Зависимости потребляемой мощности и производительности шнекового экструдера от угловой скорости вращения шнека

На рис. 8 показаны полученные графики зависимостей потребляемой мощности (сплошная линия) и производительности (пунктир) от диаметра корпуса шнекового экструдера для перерабатываемых материалов, описываемых различными реологическими законами.

N. кВт

О, кг/ч N. кВт

24

21

18

15

12

О, кг/ч 40

35

30

25

20

15

Б, мм

а - закон Оствальда - де Виля

О, мм

б - закон Бингама-Шведова

Рисунок 8 - Зависимости потребляемой мощности N и производительности £> шнекового экструдера от диаметра корпуса /)

В результате проведенного исследования разработан новый метод формализованного описания процессов экструдирования с учетом динамически изменяющихся свойств перерабатываемого материала, технологии экструдирования, конструктивных параметров и параметров эффекта шнекового экструдера, а именно:

1. Предложена математическая модель поведения материала в рабочем пространстве шнекового экструдера, описывающая физические свойства перерабатываемого материала с учетом изменения его состояния.

2. Разработан метод формализованного описания процесса экструдирования, основанный на использовании конечно-элементного анализа, позволивший связать в едином алгоритме свойства перерабатываемого материала, технологии экструдирования, конструктивные параметры и параметры эффекта шнекового экструдера;

3. Полученные результаты в виде математических моделей, алгоритмов, БД конструкций и примитивов, программных модулей позволили разработать систему инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров. Верификация программного обеспечения разработанной системы, выполненная методом сравнения результатов вычислительных и натурных экспериментов, показала адекватность результатов вычислений реальным процессам с погрешностью не более 6,3%.

4. Вычислительные эксперименты с использованием разработанной системы позволили вскрыть закономерности влияния конструктивных и технологических параметров, а также свойств перерабатываемого материала на параметры эффекта шнекового экструдера. Тем самым показана возможность эффективного применения разработанного метода для анализа и синтеза проектных решений при создании шнековых экструдеров.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из «Перечня...» ВАК:

1. Шевченко, МН. Математическое обеспечение САПР шнековых экструдеров / М.Н. Шевченко // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2010. - №5. - С. 145-149.

2. Шевченко, М.Н. Архитектура системы автоматизации проектирования шнековых экструдеров / А.М. Пищухин, М.Н. Шевченко // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. -

2010.-№4(27).-С. 109-115.

3. Шевченко, М.Н. Зонное моделирование процесса переработки материала в шнековом экструдере / А.М. Пищухин, М.Н. Шевченко // Автоматизация и современные технологии. - 2010. - №12. - С. 3-5.

Авторские свидетельства:

4. Шевченко, М.Н. Программа расчета полей напряжений и скоростей в одношнековом экструдере / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010614245 от 30.06.2010 / М.Н. Шевченко. -М.: Роспатент, 2010.

Патенты на изобретения:

5. Патент RU № 2402028, МПК G01R 27/22. Устройство для измерения электрической проводимости жидких сред / М.Н. Шевченко, А.М. Пищухин (РФ). - №2009120335. - Заявл. 28.05.2009. - Опубл. 20.10.2010, Бюл. № 29. - 4 с.

В прочих изданиях:

6. Шевченко, М.Н. Методы оценки сложности алгоритмов / JI.A. Юркевская, М.Н. Шевченко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы всероссийской научнопрактической конференции (с международным участием), посвященной 10-летию Оренбургского государственного университета. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. - С. 87-89.

7. Шевченко, М.Н. Программная система решения комбинаторнооптимизационных задач: параллельная организация / Н.А. Соловьев,

М.Н. Шевченко // Актуальные проблемы информационных технологий теории управления: труды межвузовского научного семинара. - Оренбург: Тип. ОВЗРУ, 2007.-С. 41-45.

8. Шевченко, М.Н. Управление смешиванием жидких пищевых продуктов / А.М. Пищухин, М.Н. Шевченко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VII всероссийской научнопрактической конференции (с международным участием). - Оренбург: ОГУ, 2008. - С. 405-407.

9. Шевченко, М.Н. О проблемах моделирования процесса экструдирова-ния пищевых материалов в среде Ansys / А.М. Пищухин, М.Н. Шевченко // Современные наукоемкие технологии. - 2009. - №8. - С. 49-51.

10. Шевченко, М.Н. Конечно-элементный подход к расчету шнекового экструдера / А.М. Пищухин, В.П. Попов, М.Н. Шевченко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VIII всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - С. 298-304.

11. Шевченко, М.Н. Разработка инструментария для проектирования шнековых экструдеров на основе метода конечных элементов / М.Н. Шевченко, С.Н. Шевченко // Международная научная конференция «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации». - Оренбург: ОГУ, 2010. -С. 113-118.

12. Шевченко, М.Н. Синтез шнековых экструдеров на основе конечноэлементного анализа / А.М. Пищухин, М.Н. Шевченко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ООО «Комус», 2010. - С. 288-291.

ШЕВЧЕНКО МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук -

Подписано в печать 17.01.2012 г. .

Отпечатано в типографии Дома офицеров О.Г.Р.Н. 1035605503746 Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Уел. печ. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ 88 г. Оренбург, ул. Пролетарская, 33

61 12-5/1621

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

На правах рукописи

Мщ/

Шевченко Максим Николаевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО

МАТЕРИАЛА

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (машиностроение, технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Пищухин А.М.

Оренбург 2012

Содержание

Введение 3

1 Состояние вопроса и задачи исследования 8

1.1 Особенности экструзионных технологий и оборудования 8

1.2 Теоретические основы проектирования шнековых экструдеров 14

1.3 Теоретические основы систем автоматизации проектирования 29

1.4 Постановка цели и задач работы 36

2 Теоретические исследования 37

2.1 Зонное моделирование рабочего пространства 37

2.2 Разбиение рабочего пространства экструдера на конечные элементы 41

2.3 Механика сплошных сред 42

2.4 Реологические и теплообменные аспекты 52

2.5 Расчет параметров эффекта 56 Выводы по второй главе 60

3 Структура, алгоритмы и модули САПР шнековых экструдеров 61

3.1 Структурная и функциональная схемы САПР 61

3.2 БД конструкций и примитивов 67

3.3 Алгоритмы САПР 72

3.4 Разработанные модули САПР 84 Выводы по третьей главе 92

4 Вычислительные эксперименты 93

4.1 Оценка адекватности математических моделей 93

4.2 Результаты вычислительных экспериментов 103 Выводы по четвертой главе 113 Заключение 114 Список использованных источников 115 Приложения 129

Введение

Актуальность темы.

Экструзионные технологии применяются в различных отраслях производства. Достоинства экструзионных технологий состоят в непрерывности процесса и совмещении технологических операций (перемешивания, прессования, формовки и т.п.), обеспечивающих высокую производительность при рационально выбранной конструкции экструдера и оптимальных технологических режимах его работы.

Множество вариантов конструкций и типоразмеров экструдеров, обусловленное многообразием перерабатываемых материалов, требует применения современных средств вычислительной техники для поиска и принятия оптимальных проектных решений, реализуемых системой автоматизированного проектирования. Совершенствование процессов проектирования на основе моделирования процесса функционирования экструдера, автоматизации необходимых расчетов позволяет оптимизировать выбор параметров конструкции экструдера и технологических режимов его функционирования, что имеет существенную практическую ценность.

Выбор оптимального проектного решения шнекового экструдера требует проведения расчетов полей напряжений, температур, скоростей в перерабатываемом материале с учётом его реологических и теплопроводных свойств. В настоящий момент эти вопросы решаются на основе частичной автоматизации отдельных расчетов (с помощью программных систем AutoCAD, SolidWorks, Компас и др., позволяющих определить, например, массово-инерционные характеристики конструкций). Инженерные расчеты шнековых экструдеров, чаще всего, осуществляются по приближенным эмпирическим формулам с большим количеством допущений, в том числе с упрощением реологических свойств перерабатываемых материалов.

Разработка интегрированного интерактивного комплекса анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров с учетом реологических и теплопроводных свойств перерабатываемых материалов позволит сократить сроки создания и ввода в эксплуатацию образцов новой техники.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Анализ и синтез информационных и технических систем» (гос. per. № 01200902662).

Цель работы - разработка метода формализованного описания процессов экструдирования для создания САПР шнековых экструдеров.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1) разработать математические модели, описывающие скорость перемещения и напряжённое состояние перерабатываемого материала в рабочем пространстве шнекового экструдера;

2) разработать конечно-элементный алгоритм, связывающий разработанные модели процесса экструдирования с конструктивными параметрами шнекового экструдера и параметрами эффекта (потребляемой мощностью и производительностью);

3) разработать программные модули системы инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров;

4) исследовать возможности разработанной системы инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров.

Объект исследования - процесс проектирования шнековых экструдеров.

Предмет исследования - формализация процессов инженерного анализа проектных решений шнековых экструдеров.

Научной новизной обладают:

- математическая модель, описывающая динамику процесса экструди-рования с учетом изменяющихся свойств перерабатываемого материала;

- метод использования конечно-элементного анализа для формализованного описания свойств перерабатываемого материала, технологии экстру-дирования, конструктивных параметров и параметров эффекта шнекового экструдера;

- метод автоматизации инженерного анализа проектных решений шнековых экструдеров, включающий разработанное математическое, алгоритмическое, информационное, программное и методическое обеспечение, позволяющий повысить эффективность процессов анализа и синтеза проектных решений.

Практическую значимость имеют:

- методика формализованного описания напряженного состояния перерабатываемого материала в рабочем пространстве шнекового экструдера;

- программные модули инженерного анализа и оптимизации параметров конструкции шнекового экструдера;

- система инженерного анализа и синтеза проектных решений шнековых экструдеров как совокупность реализованных в программном коде алгоритмов и информационного обеспечения базы данных.

Методы исследования.

Использовались метод конечных элементов, принципы системного анализа, методы дифференциального и интегрального исчисления, методы

и ^ 1

механики сплошных сред, методы уравнении математической физики, численные методы, технологии объектно-ориентированного программирования.

Реализация результатов работы.

Прикладные разработки и результаты исследовательской деятельности использованы в форме методик расчета оптимальных технологических режимов в ООО «Сладкая жизнь», приняты к внедрению на ОАО «Оренбургский станкозавод» для проектирования новых конструкций шнековых экс-трудеров, используются в учебном процессе на кафедрах систем автоматизации производства и машин и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, в том числе: на IV, VII, VIII, IX всероссийских научно-практических конференциях (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2005, 2008, 2009, 2010); на межвузовском научном семинаре «Актуальные проблемы информационных технологий теории управления» (Оренбург, 2007); на международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); на научно-практических семинарах кафедры систем автоматизации производства ФГБОУ ВПО ОГУ (Оренбург, 2010).

Публикации.

По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, патент на изобретение и зарегистрированное программное средство.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель, описывающая динамику процесса экстру-дирования с учетом изменяющихся свойств перерабатываемого материала;

2) конечно-элементная модель рабочего пространства шнекового экс-трудера, объединяющая свойства перерабатываемого материала, технологию экструдирования, конструктивные параметры и параметры эффекта шнекового экструдера;

3) метод автоматизированного инженерного анализа проектных решений шнековых экструдеров, включающий разработанное математическое, алгоритмическое, информационное, программное и методическое обеспечение, позволяющий повысить эффективность процессов анализа и синтеза проектных решений;

4) закономерности, устанавливающие влияние конструктивных параметров, а также свойств перерабатываемого материала на параметры эффекта шнекового экструдера;

5) программные модули инженерного анализа и оптимизации параметров конструкции шнекового экструдера.

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Особенности экструзионных технологий и оборудования

Конструкция шнекового экструдера включает следующие основные узлы: рабочая пара (шнек и корпус), загрузочное устройство, матрица с фильерами и ножами, привод вращения, узел упорного подшипника и узел обогрева [87]. На рисунке 1 представлена его упрощенная схема.

Рисунок 1 - Схема шнекового экструдера 1 - шнек, 2 - корпус, 3 - матрица, 4 - загрузочное устройство

В современных экструзионных технологиях применяются в основном два типа экструдеров: одношнековые и двухшнековые. Они различаются по производительности, назначению, технологическим возможностям и по уровню технического исполнения [70]. Достоинство одношнековых экструдеров в стоимости и простоте их изготовления и восстановления. Преимущества двухшнековых экструдеров в точном объемном дозировании, лучшем перемешивании материала, эффекте самоочистки, однако в них выше потребление энергии и износ рабочих органов [147]. Существующее механическое описание процесса экструзии более развито для одношнековых экструдеров.

£

Несмотря на различия в конструкциях, одно- и двухшнековые экстру-деры могут быть классифицированы по термодинамическим характеристикам. В автогенных экструдерах тепло, необходимое для термической обработки материала, генерируется непосредственно внутри экструдера за счет диссипации механической энергии. В политропных экструдерах термическая обработка материала осуществляется за счет как внутреннего разогрева, так и внешних источников тепла. Существуют три метода нагрева экструдера: электрический, жидкостный и паровой. В изотермических экструдерах тепло, выделяемое при переработке, контролируется вдоль камеры и при достижении определенной температуры экструдер охлаждается внешним теплообменником. Основными элементами одношнекового экструдера являются шнек, шнековый корпус, матрица с формующими каналами и загрузочное устройство.

Загрузочное устройство должно обеспечивать равномерную подачу материала, а также отсутствие прилипания его к стенкам загрузочной воронки. Для этого применяют питающие шнеки, вибролотки, а также мешалки, расположенные в загрузочной воронке. Кроме того, загрузочное устройство выполняет роль дозатора. Для контроля степени первоначального перемешивания на входе в загрузочное устройство могут применяться потоковые датчики различных свойств материала, таких как удельная электрическая проводимость [100]. Форма шнека должна повторять форму шнекового корпуса, которая может быть цилиндрической, либо конической, сужающейся к матрице. Преимущественное распространение получили цилиндрические корпуса.

Обычно внутренняя поверхность корпуса покрыта неровностями, препятствующими проворачиванию обрабатываемого материала. Чаще всего используют продольные канавки.

В связи с износом камеры при обработке сырья содержащего «шлифующие» ингредиенты, часто используются заменяемые вкладыши.

Шнек делится условно на три участка, соответствующие трем процессам: затягиванию материала в экструдер, его уплотнению и пластификации, гомогенизации и созданию давления для выпрессовывания через матрицу. Различают одно- и многозаходные шнеки. Однозаходный шнек технологичнее в изготовлении и поэтому получил более широкое распространение. Шаг и высота лопасти шнека для уменьшения противотока материала могут уменьшаться на выходном участке.

Если технология экструдирования требует сложной формы шнека, например, с переменным шагом, диаметром или глубиной канала, его выполняют составным из модулей, каждый из которых имеет постоянные геометрические параметры. Фиксация модулей производится с помощью призматических шпонок или шлицевых соединений. Собранный шнек соединяется муфтой с валом редуктора привода. Длина шнека влияет на давление и производительность. Увеличение длины повышает развиваемое давление, однако длинный шнек при малом диаметре может быть перегружен вращающим моментом сопротивления материала. По функциональному назначению шне-ковые модули подразделяются на три типа: транспортирующие, смешивающие и разогревающие. Свободный конец стержня шнека должен иметь обтекаемую форму, чтобы материал не задерживался на конце шнека.

Из-за трения шнек не примыкает к корпусу вплотную, а существует зазор около 0,2-0,5 мм. Вдоль этого зазора создается поток утечек, причем вязкость материала в нем намного меньше вязкости центральных слоев.

Для дополнительной гомогенизации и сглаживания пульсаций давления, устанавливают обтекаемую насадку, чаще всего цилиндрическую, образующую со стенками корпуса зазор меньший, чем глубина канала шнека.

Матрица с фильерами - легкосъемная конструкция, которая, как правило, закрепляется таким образом, чтобы исключить вращение вокруг оси экструдера. Пространство перед матрицей должно быть таким, чтобы в нем не формировались зоны застоя материала. Фильеры матрицы, как правило, состоят из цилиндрических формующих каналов и входных полостей переменного сечения. Матрица с фильерами должна обеспечивать необходимую форму экструдата и его качество.

Для введения различных наполнителей в конечный продукт в фильеры могут вводиться специальные трубки. Во время протекания экструдата по кольцеобразному каналу через трубку с помощью автономного насоса подается наполнитель.

Привод вращения шнека состоит из электродвигателя, редуктора, коробки передач (для двухшнековых экструдеров), трансмиссии. Электродвигатели постоянного тока предпочтительнее, чем переменного, ввиду плавного изменения скорости вращения.

Режущее устройство, как правило, состоит из двигателя, ножей и устройства для крепления ножей. Оно должно легко отсоединяться от экструдера, жестко закреплять ножи в выбранном положении и обеспечивать возможность регулировки расстояния от режущей кромки лезвия ножа до выходной плоскости фильеры.

При экструдировании перерабатываемый материал, поступающий под действием сил тяжести к загрузочному отверстию, забирается шнеком, в канале которого его частицы сжимаются, плавятся или пластифицируются под действием сил трения, и в итоге транспортируются к формующей матрице. Продвигаясь по каналу шнека, материал испытывает большие деформации сдвига, разогревается и гомогенизируется. На выходе из формующих каналов матрицы, количество, форму и размеры которых определяют технологические требования, материал приобретает желаемые свойства и становится продуктом экструдирования.

Некоторые материалы чувствительны к нагреву, поэтому подвергать их тепловой обработке необходимо кратковременно, или своевременно отводить образующееся тепло. Используя экструдеры, можно осуществлять высокотемпературную обработку в короткий промежуток времени, что являлось проблемой до их изобретения [70].

Давление сжатия, возникающее в экструдере, может достигать 10 МПа. Благодаря большим давлениям становится возможным, например, формирование волокнистой структуры из белков растительного происхождения. При внезапном падении давления до уровня атмосферного на выходе из экструдера происходит разбухание экструдата, позволяющее осуществлять формовку вязких материалов.

Выделяют три режима экструдирования: холодный, теплый и горячий.

При холодной экструзии в материале происходят только структурно-механические изменения; материал обладает низкой вязкостью; температура влияет на свойства материала незначительно и составляет на выходе из экструдера от 20 до 60°С при давлении до 6 МПа. Этот режим применяется в основном при производстве макарон и кондитерских изделий.

При теплой экструзии материал имеет меньшую влажность, температура материала на выходе составляет от 70 до 110°С при давлении от 8 до 14 МПа. Высокие давление и температура приводят к химическому преобразованию экструдата. Получаемый продукт отличается небольшой плотностью, незначительным увеличением в объеме и ячеистым строением. Иногда необходима дополнительная обработка продукта: по