Введение к работе
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;
разработать конечно-элементный алгоритм, связывающий разработанные модели процесса экструдирования с конструктивными параметрами шнекового экструдера и параметрами эффекта (потребляемой мощностью и производительностью);
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 экструдирования с учетом изменяющихся свойств перерабатываемого материала;
метод использования конечно-элементного анализа для формализованного описания свойств перерабатываемого материала, технологии экструдирования, 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 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, 2010-2011).
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:
математическая модель, описывающая динамику процесса экструдиро-вания с учетом изменяющихся свойств перерабатываемого материала;
конечно-элементная модель рабочего пространства шнекового экстру-дера, объединяющая свойства перерабатываемого материала, технологию экструдирования, конструктивные параметры и параметры эффекта шнекового экструдера;
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;
закономерности, устанавливающие влияние конструктивных параметров, а также свойств перерабатываемого материала на параметры эффекта шнекового экструдера;
программные модули инженерного анализа и оптимизации параметров конструкции шнекового экструдера.
Похожие диссертации на Автоматизация проектирования шнековых экструдеров с использованием конечно-элементной модели перерабатываемого материала
