Transcript elõadás

Szemcsehalmazok mechanikai
modellezése
Keppler István Ph.D.
egyetemi docens, tanszékvezető
BME Matematikai Modellakotás Szeminárium 2013. X. 15.
Szemcsehalmazok mechanikája
kutatócsoport (2012-13)
•
•
•
•
1 egyetemi tanár
2 egyetemi docens
3 Ph.D. hallgató
4 demonstrátor
hallgató
• 5 cikk, (3IF=4,1)
• 5 nemzetközi
konferencia
• TDK 1. helyezés
• OTDK 1. és 4. helyezés
• Pro Scientia aranyérem
Szoros együttműködés a Mezőgazdasági
Gépkísérleti Intézettel (MGI).
Hol találkozunk szemcsés anyagokkal?
• Majdnem mindenhol
–
–
–
–
–
Mezőgazdaság
Élelmiszeripar
Vegyipar
Gyógyszeripar
Építőipar
Mechanikai viselkedés
Tönkremenetel
Problémák mérnöki szemmel
• Ipari folyamatokat kell tervezni
– Szemcsehalmaz „terhelhetősége”
• Teherviselő képessége
• Ellenállása
– Szemcsehalmaz mozgása (áramlása)
• Kifolyási sebessége
• Mozgása akadályok környezetében
• Keveredése
– Kölcsönhatások
• Szemcsék egymással
• Áramló közeggel (gázzal, folyadékkal)
• „Megmunkáló” szerszámokkal, tárolóberendezésekkel
Modellezési lehetőségek
• Klasszikus
• Analitikus
– Kontinuum modell
– Képlékenységtan
• Numerikus
– Áramlástani modellek
– SPH modellezés
– Diszkrét elemek módszere
Klasszikus analitikus összefüggések
2


v
F   N d 2  N c cd  N caca d  N q qd  N a
g


d w

Kontinuum modell
F ( x, y, z, t )
A( x, y, z, t )
u( x, y, z, t )
F   f  0
1
u      u   A
2
CA  F
u



F  2G AAI E 
 1  2

Au
 u0
F n A  p0
p
Áramlástani modell
• „Mozgásegyenletek”
– Folytonossági egyenlet:

   v   0.
t
v

 v  v   p   2 v  f .
 t

– Navier-Stokes egyenlet:  
• „Tönkremenetel” pl. Bingham modell
 0 ,  0
u 
    0
,  0
y 
 
– Időben állandósult állapot.
– Nagy memóriaigény.
– Pl. agyagos, sáros talaj.
Diszkrét elemes modell
A.O. Raji,J.F. Favier, Journal of Food Engineering 64 (2004) 359–371
Diszkrét elemes modell
• Normálerő
3
4
5
Fn  E0 2 R0  2
3
6
lnCr
ln 2Cr   2
2 E0 4 R0 m0 vnrel
• Tangenciális erő
Ft  8G0 R0  t  2
5
6
lnCr
ln 2Cr   2
2G0 4 R0 m0 vtrel
• Gördülési ellenállás
M r  r FN Rii
P.A. Cundall, O.D.L. Strack, A discrete numerical model for granular assemblies. Geotechnique, 29:47–65, 1979.
Diszkrét elemes modell
• „Kötőanyag”
– Kapcsolati erők
Fn  vn Sn At
Ft  vt St At
– Nyomatékok
J
M n  n St Jt M t  t S n t
2
– Terhelhetőség
Fn 2M t
 max   
RB
A
J
 max  
Ft M t

RB
A
J
– „Túl nagy” terhelésnél a kötés felszakad
D.O. Potyondy, P.A. Cundall: A bonded-particle model for rock, Int. J. of Rock Mechanics and Mining Sciences Volume 41, Issue 8 2004, Pages 1329–1364
DEM Kalibráció
• Szemcse rugalmassági
modulusa
• Szemcse Poisson
tényezője
• Szemcse sűrűsége
• Szemcse alak
•
•
•
•
•
• Ütközési tényező
• Súrlódási tényező
• Gördülési ellenállási
tényező
• Méret eloszlás
Kötés normálmerevsége
Kötés tangenciális merevsége
Kritikus normálfeszültség
Kritikus nyírófeszültség
Kötési sugár
Kalibrálás
• Súrlódási félkúpszög
Kifolyás
• Kohézió „mérés”
Triaxiális vizsgálat
Kalibrálás
Roskadás vizsgálat
Nyíróvizsgálat
Valódi triaxiális teszt
Nyíróvizsgálat
Nyírási tönkremenetel
Nyíróvizsgálat
Discrete thermal element model
Egy szemcse, analitikus megoldás
Szemcsehalmaz
Eredő fluxus
Példa
SPH módszer
Mozgásegyenlet származtatása
Alkalmazási példák
•
•
•
•
•
Talajművelés
Rostálás
Siló kifolyás
Talaj-kerék
Kavicságyas reaktor
Talajművelés problémája
Vonóerőigény
– Költség
– Környezetszennyezés
– Szerszámtervezés
• Sokféle feladat
• Sokféle szerszám
Vonóerőigény meghatározása
• Kísérleti úton
– Talajvályú
– Szántóföldi mérés
• Analitikus módszerrel
– Talajmozgatási egyenlet
(Earthmoving equation)
• Numerikus szimulációkkal
– Áramlástani modell
– Diszkrét elemek módszere
– SPH eljárás
Kísérleti vizsgálat MGI
Rugalmas rögzítés
Rugalmas felfüggesztés hatása
Analitikus módszer
• Talajmozgatási egyenlet
2


v
F   N d 2  N c cd  N caca d  N q qd  N a
g

– Szerszám geometria
– Szerszám sebesség
– Talaj
• Esetenként 150% hiba

d w

Áramlástani modell
Áramlástani modell
Áramlástani modell
• Nyomáseloszlás
SPH modell
Diszkrét elemes modell
• Talajszemcsék kölcsönhatásának leírása
–
–
–
–
Ütköznek
Összetapadnak
Szétválnak
Forognak
Vonóerőigény DEM szimuláció
Vonóerőigény mért-számított
Szerszám rezgés hatása
Rostálás
Silók
Klasszikus silómodell
Silómodell
Silóürítés folyamata
Silóürítés DEM modellje
Szárító
Szárító
Szárító
Kavicságyas atomreaktor
Kavicságyas atomreaktor
Kavicságyas atomreaktor
Darálás
Talaj-kerék kölcsönhatás
Folyamatban lévő kutatások
• Szemcsemozgás vastagrétegű
szárítóberendezésekben
• Talajművelő eszköz-talaj kölcsönhatása
• Szemcsehalmazok áramlása