Vybrané aplikace modelování úpravnických procesů s redukcí abrazivního opotřebení sypkými hmotami pomocí DEM simulací

Jan Diviš

Doctoral thesis

Changes in the mechanical parameters of the viscous materials during the design of the treatment processes.

Abstract:

Disertační práce předkládá souhrnnou metodiku numerického modelování v aplikaci zabývající se procesy abrazivního opotřebení způsobené partikulárními materiály. Na začátku disertační práce je popsáno abrazivní opotřebení způsobené partikulárními materiály, jeho mechanismy a vlivy vstupujícími do procesu abrazivního opotřebení. Následuje podrobný popis vybraných experimentálních zařízení k získání hodnot odolnosti proti opotřebení. Teoretický přehled dále uvádí současný stav metody diskrétních prvků, která je v dnešní době využívána ve spojitosti s metodou konečných prvků nejen ve vědě a výzkumu, ale také v průmyslu. Tato disertační práce ukazuje propojení mezi skutečnými problémy abrazivního opotřebení v průmyslu a moderní numerickou metodou, která umožňuje simulacemi docílit optimalizaci provozních podmínek, zajistit vhodný výběr konstrukčních materiálů a navrhnout správnou technologii. Tímto propojením byly naplněny cíle disertační práce. V praktické části disertační práce byla podrobně popsána metoda kalibrace chování pro numerickou výpočetní metodu diskrétních prvků při použití partikulárních materiálů s částicemi, které jsou menší než 2,5 milimetru. Byla zde vysvětlena volba partikulárních materiálů. Dále zde byly popsány experimenty a měření určující vlastnosti zvolených partikulárních materiálů a hodnot vstupních parametrů pro kalibrační simulace chování. Z provedených a vyhodnocených kalibračních simulací chování virtuálních partikulárních materiálů, kterých bylo uděláno 1 093, byly vybrány nejlepší sady vstupních interakčních parametrů. Dále byla provedena kalibrace abrazivního opotřebení způsobené partikulárními materiály v závislosti na materiálových vlastnostech konstrukčních geometrií. V této části práce také je popsán experiment odolnosti proti abrazivnímu opotřebení dle normy ASTM G65-00. Kalibrační simulace abrazivního chování byly kalibrovány na výsledky těchto experimentů. Bylo provedeno celkem 74 kalibračních simulací abrazivního opotřebení. Kalibrace abrazivního opotřebení byly provedeny pro kombinace virtuálních partikulárních materiálů a zvolených konstrukčních materiálů. Tyto kombinace byly použity v průmyslové studii pojezdu železničního kola po kolejnici s abrazivním působením křemičitého písku. Tato studie ve spolupráci s firmou Bonatrans Group a.s. prezentovala použitelnost DEM v průmyslových procesech. Tato disertační práce tak uceleně popisuje proces tvorby numerických simulací diskrétních prvků s aplikací abrazivního opotřebení virtuálními partikulárními materiály. Jsou zde vysvětleny a popsány kalibrační a experimentální metody, které vedou k porozumění jednotlivých procesů a zvyšují spolehlivost simulačních modelů. Výsledkem je tak schopnost předpovídat míru abrazivního opotřebení za daných provozních podmínek, při změně vstupních parametrů nebo volbou rozdílných konstrukčních materiálů. Predikací spojenou s využitím simulací diskrétních prvků je tak možno v průmyslové praxi snižovat náklady spojené se zvýšeným abrazivním opotřebením. Správná modifikace a optimalizace umožňuje snížit množství použitého materiálu, lidské zdroje, počet náhradních dílů a předcházet tak výlukám spojených s poruchami, opravami a údržbou.

Abstract:

The dissertation thesis presents a comprehensive numerical modelling methodology in an application dealing with abrasive wear processes caused by particulate materials. At the beginning of the dissertation, the abrasive wear caused by particulate materials, its mechanisms and the influences entering the abrasive wear process are described. This is followed by a detailed description of the experimental set-up selected to obtain wear resistance values. The theoretical review also presents the current state of the discrete element method, which is nowadays used in conjunction with the finite element method not only in science and research but also in industry. This dissertation demonstrates the link between real abrasive wear problems in industry and a modern numerical method that allows simulations to optimize the operating conditions, ensure a suitable selection of construction materials and design the right technology. This link fulfilled the objectives of the dissertation. In the practical part of the dissertation, a method of calibrating the behaviour for the numerical computational of discrete elements method using particulate materials with particles smaller than 2.5 millimetres was described in detail. The choice of particulate materials was explained. Experiments and measurements determining the properties of the selected particulate materials and the values of the input parameters for the calibration behaviour simulations were also described. The best sets of input interaction parameters were selected from the performed and evaluated 1,093 calibration simulations of the virtual particulate material behaviour. Furthermore, the calibration of the abrasive wear caused by particulate materials as a function of the material properties of the structural geometries was performed. The abrasive wear resistance experiment according to ASTM G65-00 is also described in this part of the paper. The calibration simulations of abrasive behaviour were calibrated to the results of these experiments. A total of 74 abrasive wear calibration simulations were performed. Abrasive wear calibrations were performed for combinations of virtual particulate materials and selected structural materials. These combinations were used in an industrial study of rail wheel travel on a rail with abrasive silica sand action. This study in collaboration with Bonatrans Group a.s. presented the applicability of DEM in industrial processes. This dissertation thus comprehensively describes the process of creating numerical simulations of discrete elements with the application of abrasive wear by virtual particulate materials. Calibration and experimental methods are explained and described, leading to an understanding of the individual processes, and increasing the reliability of the simulation models. The result is thus the ability to predict abrasive wear rates under given operating conditions, by varying input parameters or by choosing different materials of construction. The prediction associated with the use of discrete element simulations can thus reduce the costs associated with increased abrasive wear in industrial practice. Proper modification and optimization can reduce the amount of material used, human resources, and the number of spare parts, thus preventing shutdowns associated with failures, repairs, and maintenance.

Keywords

abrazivní opotřebení, kalibrace DEM, metoda diskrétních prvků, partikulární materiál, odolnost proti abrazi, abraze železničních kol

Keywords

abrasive wear, DEM calibration, discrete element method, particulate material, abrasion resistance, rail wheel abrasion

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 1. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2024
• Supervisor: Jiří Zegzulka
• Reader: Marián Peciar, Jan Nečas, Petr Dospiva

VSB – Technical University of Ostrava

Hornicko-geologická fakulta

Doctoral programme / field:
Nerostné suroviny (čtyřleté) / Úpravnictví