Problems of numerical simulation of stress and strain

• Autorzy: Mazurkiewicz D.

Warianty tytułu

PL

Problemy symulacji numerycznej stanu naprężenia i odkształcenia w obszarze złącza klejonego taśmy przenośnikowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Belt conveyors are commonly used in-factory transportation devices built of sections of belt (e.g., a fabric-rubber belt) bonded into a continuous loop. Conveyor belt joints are exposed to substantial dynamic loads during the long time of their operation. Taking into account the fact that ensuring a high durability of conveyor belt joints is tantamount to guaranteeing their reliable operation and that the results of research conducted so far fail to provide unambiguous solutions to a number of problems that emerge in this case, it is advisable that advanced studies using computer techniques should be conducted within this area. Of particular help in the search for new structures and optimum methods for joining conveyor belt sections is finite element analysis, which, however, entails a number of problems. This paper describes the circumstances of occurrence of these problems and potential solutions to them. One important problem in FEM modeling is appropriate definition of the models of the analyzed materials. In the case of conveyor belt adhesive-bonded joints composed of rubber and a gum rubber adhesive, the analyses found in the literature, as a general rule, assume the hyperelastic material model based on the Mooney-Rivlin law, which, however, is a fairly arbitrary choice made without verification against actual strength test data. Rubber is a unique material, capable of very large deformations, by virtue of which it is counted among hyperelastic materials. Such materials require appropriate constitutive models and a reliable choice thereof in each particular case. Adequately precise modeling of the behavior of rubber materials still remains an open question. However, access to strength test data makes it possible to check experimentally which of the available theoretical models best reproduce the behavior of the modeled material. For that purpose, the available hyperelastic material models were tested separately for each constituent rubber material of the analyzed conveyor belt adhesive joint. The models were assessed with regard to the degree of their conformity with experimental data by analyzing the behavior of the hyperelastic material in a given case based on the constructed reaction curves using selected strain energy potentials for the available test data.

PL

Przenośniki taśmowe to powszechnie stosowane urządzenia transportu wewnątrzzakładowego, zbudowane z odcinków taśmy np. tkaninowo-gumowej, łączonych ze sobą w cięgno bez końca metodą klejenia. Połączenia taśm przenośnikowych narażone są na znaczne obciążenia dynamiczne w długim okresie czasu ich pracy. Mając na uwadze fakt, że zapewnienie wysokiej trwałości połączeń taśm przenośnikowych jest jednoznaczne z zagwarantowaniem ich niezawodnej eksploatacji, a wyniki dotychczas prowadzonych prac badawczych nie dają jednoznacznych rozwiązań szeregu problemów pojawiających się w tym przypadku, dlatego prowadzenie zaawansowanych prac w tym zakresie z wykorzystaniem technik informatycznych jest jak najbardziej wskazane. Szczególnie pomocna w poszukiwaniu nowych konstrukcji i optymalnych połączeń odcinków taśmy przenośnikowej jest analiza z wykorzystaniem metody elementów skończonych, co jednak wiąże się z szeregiem problemów, których okoliczności występowania oraz potencjalne rozwiązania opisuje niniejsza publikacja. Istotnym problemem w przypadku modelowania z wykorzystaniem MES jest na przykład odpowiednie zdefiniowanie modeli analizowanych materiałów. W przypadku połączenia klejowego taśmy przenośnikowej, składającego się z gumy oraz bazującego na gumie kleju kauczukowego z reguły w literaturze przyjmowany jest w tym przypadku do analizy model materiału hipersprężystego w oparciu o prawo Mooney–Rivlina, co odbywa się jednak na zasadzie dość arbitralnego wyboru, bez weryfikacji przy pomocy rzeczywistych danych pochodzących z badań wytrzymałościowych. Guma to specyficzny materiał, zdolny do bardzo dużych odkształceń i z tej racji zaliczany do kategorii materiałów hipersprężystych, wymagających odpowiednich modeli konstytutywnych oraz wiarygodnego ich doboru w konkretnym przypadku. Odpowiednio dokładne zamodelowanie zachowania się materiałów gumowych nadal pozostaje kwestią otwartą. Dysponując jednak danymi pochodzącymi z badań wytrzymałościowych, na drodze eksperymentalnej możliwe jest sprawdzenie, który z dostępnych modeli teoretycznych najlepiej odwzorowuje zachowanie się modelowanego materiału. W tym też celu oddzielnie dla każdego z materiałów składowych pochodzenia kauczukowego analizowanego złącza klejowego taśmy przenośnikowej przetestowano dostępne modele opracowane dla materiałów hipersprężystych. Oceniano przy tym ich stopień zgodności z danymi eksperymentalnymi za pomocą analizy zachowania się w danym przypadku materiału hipersprężystego w oparciu o tworzone krzywe reakcji przy wykorzystaniu wybranych potencjałów energii odkształcenia dla przypadku posiadanych danych testowych.

Słowa kluczowe

EN

adhesive-bonded joint; rubber material models; hyperelastic materials; numerical modelling

PL

naprężenia; odkształcenia; przenośniki taśmowe

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, no 2
• Strony: 75--91
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Mazurkiewicz D.

• Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] Antoniak J.: Urządzenia i systemy transportu podziemnego w kopalniach, Katowice, Śląsk Publishers, 1990.
• [2] Antoniak J.: Przenośniki taśmowe w górnictwie podziemnym i odkrywkowym, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2007.
• [3] Antoniak J.: Przenośniki taśmowe. Wprowadzenie do teorii i obliczenia, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2004.
• [4] Antoniak J.: Urządzenia i systemy transportu podziemnego w kopalniach, Katowice, Śląsk Publishers, 1976.
• [5] Franasik K., Żur T.: Mechanizacja podziemnych kopalń rud, Katowice, Śląsk Publishers, 1983.
• [6] Mazurkiewicz D.: Monitoring the condition of adhesive-sealed belt conveyors in operation, Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability, 2005, 3, pp. 41-49.
• [7] Mazurkiewicz D.: Computer system for monitoring conveyor belt joints, Canadian Mining Journal 2007, 5, 23-24.
• [8] Taśmy przenośnikowe i inne produkty gumowe - poradnik, Wolbrom: Fabryka Taśm Transporterowych Stomil Wolbrom S.A., 2008.
• [9] www.mining-technology.com - The website for the mining, tunneling and quarrying technologies.
• [10] Splicing instruction EP-conveyor Belts. Step-splice, cold. Metso Minerals 05/01 (not published).
• [11] Błażej R.: Wpływ właściwości mechanicznych rdzenia taśm przenośnikowych tkaninowogumowych na wytrzymałość ich połączeń, Rozprawa doktorska, Wrocław, Politechnika Wrocławska, 2001.
• [12] Błażej R., Hardygóra M., Komander H.: Wpływ wybranych parametrów na trwałość zmęczeniową połączeń wieloprzekładkowych taśm przenośnikowych, Transport Przemysłowy, 2002, 3, pp. 5-9.
• [13] Hardygóra M., Błażej R., Komander H., Komander G., Konieczka Z., Stolarczyk R.: Łączenie taśm przenośnikowych z linkami stalowymi metodą bezolejową, Transport Przemysłowy, 2004, 4, 18, pp. 6-9.
• [14] Madziarz M.: Wpływ konstrukcji i technologii wykonywania połączeń tkaninowych, wieloprzekładkowych taśm przenośnikowych na ich wytrzymałość, Wrocław, Politechnika Wrocławska, 1998.
• [15] Mazurkiewicz D.: Analysis of the ageing impact on the strength of the adhesive sealed joints of conveyor belts, J. of Mat. Proc. Techn. 2008, 208, pp. 477-485.
• [16] Szczygielska M., Mróz J., Broja A., Dyduch J., Augustowski W.: Monitorowanie uszkodzeń taśm przenośnikowych w oparciu o zaimplantowane elementy detekcyjne, Transport Przemysłowy, 2002, 3, 9, pp. 42-47.
• [17] Godzimirski J.: Wytrzymałość doraźna konstrukcyjnych połączeń klejowych, Warszawa, WNT, 2002.
• [18] Jabłoński R.: Zmniejszenie naprężeń wzdłużnych jako jedna z możliwości zwiększenia trwałości taśm przenośnikowych, Wrocław, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, 1979.
• [19] Jabłoński R., Kulinowski P.: Zagadnienia doskonalenia konstrukcji przenośników taśmowych w pracach Katedry Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH, Zakopane: Materiały XVI Międz. Sympozjum pt. 100 lat w służbie polskiego przemysłu wydobywczego, FTT Stomil Wolbrom S.A., 2008, pp. 97-114.
• [20] Niezgoda T.: Analizy numeryczne wybranych zagadnień mechaniki, Warszawa, WAT Publishers, 2007.
• [21] Dębski H., Rudawska A.: Analiza rozkładów naprężeń w jednozakładowym połączeniu klejowym, [in:] Analizy numeryczne wybranych zagadnień mechaniki, ed. T. Niezgoda, Warszawa, WAT, 2007.
• [22] Bąk R., Burczyński T.: Wytrzymałość materiałów z elementami ujęcia komputerowego, Warszawa, WNT, 2001.
• [23] Altidis P., Warner B.: Analyzing hyperelastic materials - some practical considerations, Midwest ANSYS Users Group, Impact Engineering Solutions, 2004.
• [24] Baldan A.: Review: Adhesively-bonded joint in metallic alloys, polymers and composite materials, Mechanical and environmental durability performance, J. of Mater. Sci. 2004, 39, pp. 4729-4797.
• [25] Bilgili E.: Modelling mechanical behaviour of continuously graded vulcanized rubbers, Plastics, Rubbers and Composites, 2004, 4, pp. 163-169.
• [26] Diani J., Brieu M., Gilarmini P.: Observation and modelling of the anisotropic visco-hyperelastic behaviour of a rubberlike material, Int. J. of Solids and Structures, 2006, 43, pp. 3044-3056.
• [27] Martins P., Natal Jorge R. M., Ferreira A.: A comparative study of several material models for prediction of hyperelastic properties: application to silicone-rubber and soft tissues, Strain 2006, 42, pp. 135-147.
• [28] Ruiz M., Gonzales L.: Comparison of hyperelastic material models in the analysis of fabrics, Intern. J. of Clothing Sc. and Techn., 2006, 5, pp. 314-325.
• [29] Duncan B.C.: Test methods for determining hyperelastic properties of flexible adhesives, CMMT (MN) 054, Published by Crown, 1999.
• [30] Gadala M.S.: Unified numerical treatment of hyperelastic and rubber-like constitutive laws, Communications in Applied Numerical Methods, 1991, 7, pp. 581-588.
• [31] Kwon Y., Kwon H., Kim W., Leo S.: Estimation of Rubber Material Property by Successive Zooming Genetic Algorithm, J. of Solid Mech. and Mat. Eng. 2007, 6, pp. 815-826.
• [32] Abaqus Analysis User's Manual, Dassault Systèmes, 2007.
• [33] Ageorges C., Ye L.: Fusion bonding of polymer composites. Series: Engineering materials and processes, Springer Verlag, 2002.
• [34] Pękala M., Radkowski S.: Gumowe elementy sprężyste, Warszawa, PWN, 1989.
• [35] Darwish S.M.: Analysis of weld-bonded dissimilar materials, Int. J. of Adhesion and Adhesives 2004, 24, pp. 347-354.
• [36] Loctite - worldwide design handbook, Munich: A Henkel Company, 1998.
• [37] Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów metalowych w budowie maszyn, Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 1997.