Автоматизация проектирования шнековых экструдеров с использованием конечно-элементной модели перерабатываемого материала

• Автор: Шевченко, Максим Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Оренбург
• Количество страниц: 163 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Особенности экструзионных технологий и оборудования
1.2 Теоретические основы проектирования шнековых экструдеров
1.3 Теоретические основы систем автоматизации проектирования
1.4 Постановка цели и задач работы
2 Теоретические исследования
2.1 Зонное моделирование рабочего пространства
2.2 Разбиение рабочего пространства экструдера на конечные элементы
2.3 Механика сплошных сред
2.4 Реологические и теплообменные аспекты
2.5 Расчет параметров эффекта
Выводы по второй главе
3 Структура, алгоритмы и модули САПР шнековых экструдеров
3.1 Структурная и функциональная схемы САПР
3.2 БД конструкций и примитивов
3.3 Алгоритмы САПР
3.4 Разработанные модули САПР
Выводы по третьей главе
4 Вычислительные эксперименты
4.1 Оценка адекватности математических моделей
4.2 Результаты вычислительных экспериментов
Выводы по четвертой главе
Заключение
Список использованных источников
Приложения

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 АшоСАЭ, 8оШ\огк8, 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.

интервалами. Дифференциальный оператор, входящий в исходное уравнение физического процесса, заменяется соответствующим ему разностным оператором (производные аппроксимируются конечноразностными выражениями). Существуют стандартные шаблоны выражения производных через значения зависимой переменной в узлах сетки. Таким образом, исходная система дифференциальных уравнений заменяется системой обыкновенных дифференциальных уравнений (с зависимостью от времени), а в случае стационарного процесса - алгебраической системой относительно значений зависимой переменной в узловых точках.
В методе конечных элементов производится дискретизация области изменения независимых переменных путем разделения на непересекающиеся подобласти - конечные элементы. В зависимости от размерности задачи, конечные элементы представляют собой отрезки линий, треугольники или прямоугольники, тетраэдры или параллелепипеды. В пределах каждого конечного элемента выбирают конечное число узловых точек, в которых будет аппроксимироваться зависимая переменная. Для каждого из конечных элементов выбирается своя аппроксимирующая функция (как правило, используются полиномы малых степеней, обеспечивающие хорошее приближение ввиду малых размеров элемента). Задача вычисления неопределенных коэффициентов формулируется как задача минимизации функционала, характеризующего качество аппроксимации решения, что сводится к решению системы алгебраических уравнений, или системы обыкновенных дифференциальных уравнений (для нестационарного процесса).
Преимущество метода конечных элементов над методом конечных разностей заключается в возможности использования элементов различной формы, что облегчает дискретизацию областей сложной формы [55, 56].