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이산 요소법(DEM)과 유한 요소 해석(FEA)을 결합하여 트럭 차체 성능 향상: 강도는 유지하면서 무게는 최소화합니다.
도전 과제
벌크 자재나 중장비를 취급하는 산업은 구조적 성능, 마모, 운영 효율성과 관련된 중대한 과제에 직면해 있습니다. 기존의 설계 방법은 종종 실험적 테스트와 경험적 상관관계에 의존하는데, 이는 비용과 시간이 많이 들고 범위가 제한적일 수 있습니다. 바로 이 부분에서 컴퓨터 시뮬레이션, 특히 이산 요소 방법 (DEM) 및 유한 요소 분석 (FEA)는 강력한 도구가 되었습니다. 일부 업계가 직면한 주요 과제는 다음과 같습니다:
과부하 상태에서의 구조적 무결성
- 채굴. 덤프트럭 베드와 굴삭기 버킷은 암석에 반복적으로 충격을 받아 피로와 균열을 유발합니다.
- 시멘트. 로터리 킬른은 클링커 이동으로 인한 기계적 스트레스를 견뎌냅니다.
마모 및 재료 열화
- 채굴. 연마 입자 흐름으로 인해 슬러리 파이프라인과 펌프가 침식됩니다.
- 강철. 고로 호퍼는 지속적인 철광석 충격으로 마모됩니다.
하중 분포 및 응력 집중
- 농업 및 식품. 사일로는 고르지 않은 곡물 흐름으로 인해 응력 집중이 발생합니다.
- 산업용 여과. 분말을 처리하는 사이클론은 고속 입자로 인한 구조적 스트레스를 경험합니다.
무게 및 재료 사용량 최적화
- 중장비. 컨베이어 벨트 프레임은 가벼우면서도 충격 하중에 견딜 수 있어야 합니다.
- 자동차. 벌크 자재 운송 트레일러는 내구성을 유지하면서 무게를 줄이기 위해 소재 최적화가 필요합니다.
엔지니어링 솔루션
The 이산 요소 방법(DEM)과 유한 요소 분석(FEA)의 결합 는 벌크 재료를 취급하는 장비의 구조적 성능을 평가하기 위한 강력한 솔루션을 제공합니다. 이 접근 방식은 입자 상호작용과 구조적 응답을 통합하여 엔지니어가 다음을 예측할 수 있도록 합니다. 마모, 응력 분포 및 피로, 내구성과 효율성을 높이기 위해 설계를 최적화합니다.
방법
트럭 차체에 가해지는 충격력을 정확하게 평가하고 그에 따른 구조적 응력을 결정하기 위해 엔지니어는 다음과 같은 두 가지 강력한 수치적 방법에 의존합니다. 이산 요소법(DEM)과 유한 요소법(FEM 또는 FEA). 각 방법은 문제의 다양한 측면을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.
DEM 은 로딩 중 입자(암석 파편 등)의 거동을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 암석의 상호작용 방식, 속도, 충격 위치 및 그에 따라 가해지는 힘에 대한 주요 인사이트를 제공합니다. 트럭 차체에 가해지는 힘. 사실적인 결과를 얻으려면 엔지니어는 중요한 입력 파라미터를 정의해야 합니다. 다음과 같은 암석 크기 분포, 모양, 밀도 및 기계적 특성.- FEA 에 초점을 맞추고 있습니다. 다양한 힘에 대한 구조적 대응에 중점을 둡니다. 이를 통해 엔지니어는 다음을 분석할 수 있습니다. 응력 분포, 변형 및 잠재적 고장 구역을 분석할 수 있습니다.구조 구성 요소의 재료 속성에 대한 정보를 입력합니다. 필수 입력 사항에는 재료 특성, 지지대 및 하중 상태에 대한 정보, 피로 한계가 포함됩니다.
DEM이러한 기본 기능 외에도 DEM-FEA 접근 방식은 다음을 지원합니다.지오메트리와 같은 고급 분석이 가능합니다. 최적화, 피로 예측 및 충격 에너지 평가, giv엔지니어는 벌크 재료가 시간이 지남에 따라 구조 구성 요소에 미치는 영향에 대해 더 깊이 이해할 수 있습니다. 이 방법론은 내구성을 높이고 유지보수 비용을 절감하며 운영 효율성을 개선하고자 하는 산업에 필수적입니다.
이 접근 방식의 힘을 입증하기 위해 유니티는 트럭 덤프 차체의 구조 분석 및 최적화에 대한 데모를 소개합니다.에서 재료 하중, 응력 수준 및 설계 개선 사항을 평가하기 위해 DEM-FEA를 적용합니다. Ansys Rocky는 다양한 모양, 크기(분포 포함), 파티클 입구 유형 등을 가진 파티클을 처리할 수 있는 DEM 툴입니다. 다음 표는 몇 가지 일반적인 파티클 유형(빨간색)과 일부 내부 파라미터를 변경하여 얻을 수 있는 모양을 보여줍니다.
결과
이 데모에서는 3.3m x 1.7m x 0.95m의 트럭 덤프 차체를 분석하며, 차체를 채우기 위해 입자 크기 분포(PSD)를 가진 벌크 재료인 암석이 방출되는 것으로 가정합니다. 관련된 워크플로에 관련된 모듈은 다음과 같습니다:
- 모듈 A: 덤프트럭 표면의 지오메트리
- 모듈 B: DEM 시뮬레이션을 해결하기 위한 로키 모듈
- 모듈 C: 덤프트럭의 표면과 구조적 지지대의 지오메트리
- 모듈 D: 기계 분야의 정적 구조 분석
- 모듈 E: 직접 최적화
의 지오메트리 모듈 A 의 왼쪽 애니메이션은 상자를 채우는 바위의 모습을 보여줍니다. 오른쪽 애니메이션은 바위가 충돌할 때 발생하는 수직 힘(Y축)의 순간적인 크기와 위치를 관찰하기 위해 아래에서 본 모습입니다. Rocky in 모듈 B 는 시간에 따른 변수의 동작을 식별하기 위한 시간 플롯도 생성합니다. t = 2.95초일 때 최대 힘 -101,296N이 생성되는 것을 확인할 수 있습니다. 다음으로 압력 결과 집합을 Ansys Mechanical로 내보냅니다. 사용자는 모든 순간, 마지막 출력, 시간 범위, 특정 시간, 시간 경과 후 등의 옵션 중에서 선택하여 압력을 내보낼 수 있습니다. 총 경과 시뮬레이션 시간은 140초(2분 20초)로 결정되었습니다.
의 지오메트리 모듈 C는 서포트를 포함하여 정적 구조 분석 in 모듈 D. 메시 크기는 모듈의 DEM 분석 를 사용하여 로드 전송의 일관성을 보장합니다. 결과가 업데이트되면 Rocky 모듈을 사용하면 부하로 가져온 압력을 올바르게 설정할 수 있으며 아래 이미지와 같이 표시됩니다. 이 경우 시뮬레이션 시간은 비교적 짧습니다.
A 고정 지원 는 또한 의 수직 반력을 101,570 N에서 계산된 값과 비교한 다음 2.95초의 Rocky는 101,296 N. 이 초기 디자인에는 다음이 있습니다. 세 가지 지원와 셸 두께는 10mm. 결과에 따르면 이 설계는 다음과 같이 개선이 필요합니다. 응력 수준이 항복 강도 한계(250MPa)에 가깝고 안전 계수가 1.16이기 때문에 개선이 필요합니다.
최적화
재설계 시 다음 매개변수가 고려됩니다:
- 입력. [1] 플레이트 두께(1-20mm 사이), [2] 지지대 수(3-6개 사이).
- 출력. [1] 플레이트 질량, [2] 최대 변형, [3] 최대 등가 응력, [4] 최소 정적 안전 계수.
The 의 직접 최적화 도구 모듈 D 는 덤프 바디의 형상과 강도를 개선하는 데 사용됩니다. 이 모듈은 적응형 단일 목표 방법을 기반으로 하여 플레이트 질량(목표: 0)을 최소화하는 동시에 최대 등가 응력(200MPa)과 최소 안전 계수(1.5)에 제약을 가합니다. 기본 설정을 사용하면 33개의 추가 설계 포인트가 자동으로 생성 및 해결되므로 Ansys Rocky 또는 Mechanical을 다시 열 필요가 없습니다. 지지대 수는 정수로 반올림됩니다. 각 설계 포인트의 시뮬레이션 시간은 Ansys Rocky와 Mechanical 모두에서 초기 설계와 유사하게 유지됩니다.
결과적으로 직접 최적화 모듈은 다음을 식별합니다. 세 개의 후보 지점 이전 단계에서 정의한 모든 조건을 충족하는 후보 지점입니다. 다음 그림에 표시되어 있습니다. 질량은 별표로 표시되어 있어 아직 0(목표)에서 “멀리” 떨어져 있지만 허용 가능한 값임을 나타냅니다. “파라미터 1″은 지지대 수를 나타내며, 그에 따라 정수로 반올림됩니다. 이 정보를 통해 엔지니어나 디자이너는 설계 진행 방법에 대해 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.
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