Analýza chladnutí formy pro lisování plastů Zpracoval: Ing. Martin KONEČNÝ, Ph.D. Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů ů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu: 1.6.2009 31.5. 2012
Popis problému V této úloze jde o převedení 3D prizmatické formy pro vstřikování plastů na 2D úlohu Obr. 1. Jedná se o analýzu průřezu, který je po délce formy neměnný. Tělo formy je tepelně zatěžováno od lisovaného plastu. Při lisování horkého plastu dochází k odvádění tepla tělem formy. Ta je ochlazována jednak chladící tekutinou, která cirkuluje ve třech kanálech a současně je teplo odváděno do okolního prostředí konvekcí. Cílem úlohy je stanovení potřebného času, kdy maximální teplota vstřikovaného plastu klesne na 20 C. Použijeme 2-D prvky pro vytvoření sítě z pomocné geometrie. Tenhle typ prvků má definovaný pouze jeden stupeň ň volnosti a to je teplota. t Je důležité modelovat vzákladní skicovací rovině ě Y-Z, aby bylo možné použít a nadefinovat tento typ prvků. Teplotní analýza dvourozměrného modelu formy yje provedena ve třech krocích: I. Preprocessing Vytvoření geometrie modelu v prostředí Autodesk Simulation Multiphysics, zadání okrajových a počátečních podmínek. II. Processing Analýza vytvořeného modelu použitím řešiče Thermal Transient Heat Transfer. III. Postprocessing Obr 1. Rozměry formy Zobrazení průběhu chladnutí formy.
I. PREPROCESSING Vytvoření modelu ve FEA Editor V tomto oddílu je popsán postup tvorby dvourozměrného 2D modelu formy s připojením okrajových podmínek, zatěžujícího stavu a materiálových vlastností v grafickém preprocesoru FEMPRO. Model formy je průřezem prizmatické těleso. Výpočtový model je tedy řezem této formy, který musí být vytvořen v rovině Y-Z Jelikož jde o model složený z několika částí s rozdílnými materiálovými vlastnostmi, musíme jej jvytvořit z několika částí (parts). Každáčást (part) se vytvoří pomocí obrysových čár (Constuction), které budou definovat geometrii. Pro tvorbu sítě konečných prvků má tento software automatický generátor 2D sítě konečných prvků. Nazávěr k modelu připojíte okrajové a počáteční podmínky. Zadání typu analýzy Spustíme program ALGOR FEMPRO a otevřeme FEA model. Program se nás bude dotazovat na jméno námi vytvářeného modelu a na jméno adresáře, do kterého se budou ukládat veškerá data. Dále se nás bude program dotazovat na typ analýzy a použité jednotky. Pro průběžnou teplotní analýzu použijeme analýzu Transient Heat Transfer Obr. 2. Dále postupujeme dle níže uvedeného postupu. Obr 2. Volba analýzy
Definování systému jednotek Na definici jednotek se program dotazuje po zadání typu analýzy Obr. 3. Jednotky lze kdykoliv změnit pomocí příkazu Units (menu v levé části obrazovky) Obr. 4 Poz. informace o jednotkách je uložena zvlášť s každým modelem. Obr. 3 Nastavení jednotek Obr. 4 Možnost změny jednotek
Tvorba obrysu hliníkové formy Geometrii 2D modelu formy vytvoříme postupným modelováním jednotlivých částí (parts). Jako první budeme vytvářet model hliníkové formy Obr. 5. Její obrys je současně obrysem dalších částí modelu a usnadní nám jejich tvorbu. Obrysovou křivku nedělíme. Automatický generátor vytvoří síť na ploše, která je omezena touto hranicí. Obrysovou čáru vytvořte ve skicáři. Do nové skici vstoupíte, když dvakrát kliknete na položku PLANE Y-Z v okně stromu. V skicovacím prostředí postupně vytvoříte vnější obrysové čáry. Pro tvorbu vnitřních obrysových čar využijte např. příkazů pro tvorbu obdélníku (dutina pro vstřikovaný plast) aprotvorbukružnice střed, poloměr (kanály pro chladící médium). Rozměry skicované formy použijte dle Obr.1. Geometrii tvoříme s nastavením Part 1. Po dotvoření ř obrysu kompletní formy postupně ě domodelujemed ještě jednou obrysy kanálů pro chladící médium a vstřikovaný plast, ale s tím rozdílem, že pro každý jeden kanál a dutinu pro plast použijete vždy nový Part! Můžete s výhodou využít již stávající geometrie. Obr. 5 Model formy (contruction lines) Obr. 6 Zapnutí konstrukčních čár
Generování sítě konečných prvků Síť konečných prvků vytvoříme pomocí generace 2D sítě Generate 2D Mesh Obr. 7. Tento příkaz lze aplikovat na skicovací rovinu Y-Z Z, ve které je vytvořena hranice, která vymezuje oblast mezi vnější popřípadě vnitřní plochou. Tento příkaz lze rovněž aplikovat na kombinované modely složené s několika různými vlastnostmi. Musí být ovšem u jednotlivých dílů (parts) jednoznačně definovaná hranice. Nelze kupříkladu všechny chladící kanály vytvořit jako jeden díl (part), jelikož by nebyla definovaná uzavřená hranice. Síť 2D konečných prvků vytvoříme výběrem všech skic. Ty vybereme stisknutím klávesy Ctrl a postupným výběrem všech skicovacích rovin, které jsme vytvořily Obr. 7. Následuje volba příkazu Generate 2 D mesh, kterou aktivujeme stisknutím tí pravého tlačítka namyši. Obr. 7 Výber skic pro tvorbu 2- D sítě a volba pod pravý tlačítkem myši
Po aktivaci tohoto příkazu definujeme parametry sítě konečných prvků Obr. 8. Zde definujeme tvar elementů Element Shape, hustotu sítě mesh Density nebo velikost sítě Mesh Size a další parametry elementu. Stisknutím tlačítka Apply nám generator vytvoří síť konečných prvků. Pokud budeme s takto vysíťovaným modelem souhlasit potvrdíme tlačítkem OK, pokud budeme chtít danou síť změnit např. lokálně zvýšit počet prvků, můžeme přímo zadat jiné parametry. Dodatečně lze tuto síť modifikovat. Na Obr. 9 je vyobrazen vysíťovaný 2D model formy. Obr. 8 Definice parametrů 2- D sítě Obr. 9 Vysíťovaný 2D model formy
Připojení okrajových podmínek Okrajovými podmínkami rozumíme v případě analýzy Thermal Transient Heat Transfer interakci modelu s okolním prostředím. V našem případě jde o sdílení tepla konvekcí s okolním prostředím Obr. 10. K tomuto sdílení dochází na vnější ploše hliníkové formy. V případě 2D modelu touto plochou rozumíme vnější obrys hliníkové formy. Nastavení hodnot konvence viz. Obr. 11. Obr.10 Konvekce tepla s okolím
Obr. 11 Nastavení hodnot ot konvence tepla s okolímo
Připojení počátečních podmínek Počáteční podmínkou rozumíme výchozí stav daného modelu v čase 0. V našem případě jde o počáteční teploty formy, lisovaného plastu a chladícího média. Počáteční teplota formy je 20 C Obr. 11, lisovaného plastu 200 C a chladící kapaliny 5 C. V našem případě zadáváme počáteční teplotu na plochu dané části,ovšemtutoplochunevybírámepřímo na modelu formy, ale v příslušné části (part) v položce PART. Zde vybereme kurzorem plochu tak, aby se nám takto vybraná plocha označila na modelu. Tuto podmínku musíme zadat na všechny části modelu formy. Po zadání této podmínky na celý model máme definovány počáteční podmínky. Obr. 12 Výběr počátečních podmínek teploty
Zadání dalších vlastností modelu (typ elementu, materiálové vlastnosti a tloušťky 2D elementu) Pomocí FEMPRO jste vytvořili model, který obsahuje body, úsečky, textové řetězce a speciální symboly (počáteční a krajové podmínky). Než může být model analyzován řešičem Thermal Transient Heat Transfer, musí být CAD model převeden na FEA model, který bude obsahovat konečné elementy, uzly, materiálové vlastnosti, teploty v uzlech a další informace pro zvolený typ analýzy. Tato činnost zahrnuje : zadání šířky 2D elementů Element Definition Obr. 13 zadání materiálových a dalších vlastností tí Material l Obr. 14 Tyto vlastnosti musíme zadat pro všechny části (parts) modelu. Obr. 13 Zadání šířky 2D elementů
Zadání materiálových vlastností V položce Element Definition zadáváme pouze sílu 2D elementu Thickness Obr. 13. Tuto tloušťku si můžeme v našem případě zvolit. Volíme 0,1 mm. V položce Material definujeme materiálové vlastnosti jednotlivých partů. Pro zadávání volíme položku Customer Defined, kde uživatelsky definujeme materiálové vlastnosti dle zadání Obr. 14. Poznámka: Různé materiály můžete vybírat z knihovny dodané firmou Algor. (Algor s default Material Property Library) nebo z uživatelské materiálové knihovny, kterou si můžete vytvořit pomocí položky "Tools:Manage Material Library". Obr.14 Zadání materiálových vlastností elementuů
II. PROCESSING Analýza modelu procesorem Před zpuštěním samotné analýzy je nutné definovat její parametry Obr. 15. Jde o počet časových kroků Number of time steps, velikosti časového kroku Time step-size a interval výstupních dat Output interval. V našem případě volíme časový krok po 1 sekundě spočtem 20-ti kroků a výstupním intervalem po 1 sekundě. V této položce je nutné také definovat, i když na tomto modelu není žádné zatížení, časovou závislost zatížení load curve input. Touto položkou definujeme časovou závislost tepelného zatížení. V našem případě tepelné zatížení není. Dalo by se ovšem nahradit konstantní závislostí. Zadáme tedy jednotkovou konstantní závislost dle Obr. 15 (na počátku v čase 0 s bude 1 a na konci v čase 20 s bude taktéž 1 ) Obr.15 Parametry analýzy
III. POSTPROCESSING Analýza modelu procesorem SuperView je grafický postprocesor, který Vám umožní zobrazit vypočtené výsledky analýzy. Využívání Superview k prohlížení výsledků analýzy Nyní budete využívat nástroj postprocessingu k prohlížení a interpretaci výsledků analýzy, které jste obdrželi z Thermal Transient Heat Transfer. Jak zobrazit rozložení teplotního pole v daném časovém okamžiku Analýza Thermal Transient Heat Transfer je časovou závislostí děje, ke kterému dochází vlivem šíření tepelné energie vedením, konvekcí atd. Jde tedy o časovou závislost. Výstupem je časový sled snímků rozložení teplotního pole Obr. 16. Na základě těchto snímků je možné analyzovat časové chování daného modelu a v našem případě určit čas, ve kterém dojde k ochlazení plastového výlisku na požadovanou teplotu.
Obr. 16 Rozložení teplotního pole po 14 s od začátku analýzy
Jak vytvořit teplotní časovou závislost vybraného uzlu Při analýze času ochlazení plastového výlisku na 20 C, budeme postupovat na základě výběru uzlového bodu, který má při ochlazování plastového výlisku nejvyšší teplotu. Tento bod získáme kupříkladu rozborem animace chladnutí formy. Tento bod vybereme a pomocí pravého tlačítka na myši vyvoláme menu ve kterém zvolíme příkaz Graph Value Obr. 17. Ten zobrazí časovou teplotní závislost daného uzlového bodu a umožní nám přesné určení doby, ve které bude maximální teplota plastového výlisku 20 C. Pozn. Pro ověření správnosti výsledku je vhodné provést rozbor výpočtu s ohledem na počet elementů a časový krok. Obr. 17. Zobrazeni časové teplotní závislosti daného uzlového bodu