Modelowanie pól naprężeń i temperatury w procesach uplastyczniania i zagęszczania drewna zorientowane na potrzeby projektowania maszyn

Przedmiotem rozprawy jest problematyka wykorzystania procesów uplastyczniania i zagęszczania naturalnych polimerów dla potrzeb konstruowania maszyn. Rozważano zagadnienia dotyczące opracowania metod uplastycznienia i zagęszczenia warstwy materiałów nieklasycznych z wykorzystaniem ich rzeczywistej struktury i właściwości termomechanicznych. Omawiane są dwa odrębne procesy technologiczne. Pierwszy z nich dotyczy uplastycznienia wierzchniej warstwy drewna, materiału konstrukcyjnego reprezentującego polimery o właściwościach porowatych i anizotropowych. Drugi – uplastycznienia warstwy wierzchniej oraz zagęszczenia kolejnych warstw do postaci końcowej rozdrobnionych odpadów drzewnych, reprezentujących naturalne polimery o właściwościach porowatych i izotropowych.
W rozdziale 1 pracy sformułowano tematykę badawczą. Przedstawiono uzasadnienie jej podjęcia. Wskazano na potrzebę opracowania teorii i metod uplastyczniania i zagęszczania naturalnych polimerów zorientowaną na formułowanie założeń projektowych i konstruowanie maszyn służących temu celowi. Zwrócono szczególną uwagę na powiązanie wytrzymałości drewna i jego rozdrobnionych odpadów z temperaturą i wilgotnością. Dotyczy to zwłaszcza formułowania związków konstytutywnych plastyczności na podstawach teorii plastyczności, z uwzględnieniem wpływu temperatury i wilgotności. Tematyka ta w takim ujęciu jest w niewielkim stopniu podejmowana w publikacjach, zwłaszcza w Polsce.
W rozdziale 2 przedstawiono charakterystykę wybranych naturalnych polimerów na przykładzie drewna i jego rozdrobnionych odpadów. Wskazano na dwa podstawowe profile właściwości naturalnych polimerów, które standardowo wyznaczają dwie kategorie: cieplną i mechaniczną. W kategorii cieplnej są to przede wszystkim: współczynnik przewodzenia ciepła (zależny od kierunków orientacji włókien, temperatury i wilgotności), ciepło właściwe (zależne od temperatury i wilgotności) oraz gęstość materiału – ściśle zależna od porowatości. Wymienione parametry określają współczynnik dyfuzyjności materiału, ważny podczas opisu przewodzenia ciepła. W kategorii mechanicznej są to umowne granice plastyczności zależne od kierunków orientacji włókien, temperatury i wilgotności. Tak określone właściwości naturalnych polimerów stanowią podstawę do formułowania związków konstytutywnych przewodzenia ciepła oraz plastyczności. Rozdział 3 przedstawia szeroki zakres własnych badań doświadczalnych właściwości termomechanicznych drewna i odpadów drzewnych. Dotyczy to w szczególności określenia wytrzymałości i granic plastyczności podczas rozciągania, ściskania i ścinania w poszczególnych kierunkach ortotropii z uwzględnieniem temperatury i wilgotności. Wyznaczono dla drewna charakterystyki trwałych odkształceń w wyniku odciążenia oraz charakterystyki przedstawiające wpływ prędkości odkształcenia na jego właściwości mechaniczne. Zamieszczono również uzyskane w warunkach zmiennej temperatury oraz wilgotności wyniki badań zagęszczania rozdrobnionych odpadów drzewnych. Wy znaczono charakterystyki: zagęszczenia w funkcji siły zagęszczającej, naprężeń tnących w funkcji odkształcenia i przemieszczenia, związku między naprężeniami tnącymi i normalnymi, współczynnika tarcia wewnętrznego i zewnętrznego (zagęszczany materiał–stalowy kanał). Wykonano badania współczynnika przewodzenia ciepła drewna w funkcji temperatury w poszczególnych kierunkach ortotropii oraz traktowanych jako materiał izotropowy rozdrobnionych odpadów drzewnych o różnym stopniu zagęszczenia. W rozdziale 4 skupiono się na opracowaniu modelu przepływu ciepła w uplastycznianych i zagęszczanych naturalnych polimerach na przykładzie drewna i jego rozdrobnionych odpadów. Zwrócono uwagę na wpływ właściwości anizotropowych drewna oraz temperatury na współczynnik przewodzenia ciepła. Zaproponowano „arkustangensową” aproksymację wyznaczonej doświadczalnie zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury. Opisano współczynnik dyfuzyjności, uwzględniając zależność współczynnika przewodzenia ciepła od właściwości anizotropowych drewna i temperatury oraz zależność ciepła właściwego od temperatury. Do obliczeń nieustalonego przewodzenia ciepła w cienkiej warstwie uszlachetnianego drewna, metodą walcowania na gorąco, skorzystano z metody elementów skończonych w środowisku komercyjnego programu Abaqus Standard. Przedstawiono również, wyznaczony w sposób podobny, rozkład temperatury w warstwie rozdrobnionych odpadów drzewnych zagęszczanych w kanale stożkowym.
W rozdziale 5 przedstawiono modelowanie procesów uplastyczniania cienkiej warstwy drewna i zagęszczania rozdrobnionych jego odpadów. W przypadku uplastycznianego drewna zaproponowano model materiału sztywno idealnie plastycznego oraz warunek plastyczności uwzględniający anizotropię Azzi-Tsai- -Hilla. Modelowanie procesu uplastyczniania i zagęszczania rozdrobnionych odpadów drzewnych oparto na warunku plastyczności Hubera-von Misesa opracowanego dla ośrodków izotropowch. W warunkach plastyczności obu procesów technologicznych uwzględniono wpływ temperatury i wilgotności. Wprowadzając pewne założenia upraszczające, opracowano analitycznie zależności, z których można wyznaczyć siłę uplastycznienia warstwy drewna metodą walcowania oraz siłę uplastycznienia rozdrobnionych odpadów drzewnych w kanale stożkowym.
W rozdziale 6 przedstawiono wyniki modelowania numerycznego procesu uplastyczniania warstwy drewna metodą walcowania oraz rozdrobnionych odpadów drzewnych w kanale stożkowym. Symulację numeryczną wykonano, korzystając z w pełni sprzężonej termiczno-naprężeniowej analizy metodą elementów skończonych w środowisku programu Abaqus Standard. Obliczenia rozkładu naprężeń w warstwie uplastycznianych materiałów przeprowadzono, przyjmując parametry geometryczne charakterystyczne dla maszyny realizującej proces uszlachetnienia drewna oraz maszyny do zagęszczania rozdrobnionych odpadów drzewnych. Wykorzystano również wyznaczone doświadczalnie funkcje opisujące termomechaniczne właściwości uplastycznianych i zagęszczanych materiałów.
Rozdział 7 poświecono aplikacyjnemu znaczeniu wyników wykonanych badań doświadczalnych dotyczących właściwości termomechanicznych rozważanych w pracy materiałów oraz analiz teoretycznych i numerycznych procesów ich uplastyczniania i zagęszczania. Przytoczono kilka takich przykładów. Szerzej przedstawiono tę część aparatury, którą zintegrowano ze zbudowaną maszyną do aglomeracji w technice tłokowej oraz maszyną przystosowaną do aglomeracji w technice formowania ślimakowego. Takie połączenie modułów maszyn z modułami badawczo-pomiarowymi umożliwiło wykonanie badań optymalizacyjnych parametrów technologicznych obu procesów, w tym wartości rzeczywistych sił uplastycznienia zagęszczanych materiałów. W rozdziale 8 przeanalizowano wyniki uzyskane podczas badań doświadczalnych obejmujących właściwości mechaniczne i cieplne drewna oraz jego rozdrobnionych odpadów. Dotyczy to również wyników, jakie uzyskano na podstawie analitycznie i numerycznie sformułowanych modeli, rozkładów temperatury i naprężeń w warstwie uplastycznianych materiałów metodą walcowania na gorąco oraz zagęszczania w kanale stożkowym. Wskazano na duży spadek wytrzymałości drewna i jego rozdrobnionych odpadów pod wpływem wzrostu temperatury i wilgotności. Znajduje to swoje odzwierciedlenie w wynikach obliczeń wartości naprężeń granicznych i wartości sił granicznych uzyskanych dzięki rozwiązaniu zagadnień początkowo-brzegowych. Zwrócono szczególną uwagę na weryfikację obliczeń analitycznych i numerycznych na podstawie wyników badań doświadczalnych oraz stosowanych w praktyce przemysłowej określonych parametrów technologicznych.
Rozdział 9 stanowi podsumowanie oraz wnioski. Wskazano również kierunki dalszych badań.

Wykaz ważniejszych oznaczeń 5 Streszczenie 8 1. Sformułowanie tematyki badawczej 11 1.1. Wstęp 11 1.2. Uzasadnienie podjętej problematyki 12 1.3. Analiza modeli ośrodków porowatych i anizotropowych 14 1.4. Cel pracy 25 2. Charakterystyka wybranych polimerów naturalnych 27 2.1. Struktura i właściwości drewna oraz jego pochodnych 27 2.2. Właściwości naturalnych polimerów porowatych o cechach anizotropowych 32 2.2.1. Porowatość i gęstość drewna 33 2.2.2. Właściwości cieplne 34 2.2.3. Właściwości mechaniczne 36 2.3. Właściwości naturalnych polimerów porowatych o cechach izotropowych 39 3. Badania cech materiałowych wybranych naturalnych polimerów 42 3.1. Metodyka badań 42 3.2. Próba rozciągania 43 3.2.1. Metodyka badań próby rozciągania 44 3.2.2. Wyniki badań doświadczalnych 47 3.3. Próba ściskania 53 3.3.1. Metodyka badań próby ściskania 55 3.3.2. Wyniki badań 55 3.4. Próba ścinania 60 3.4.1. Metodyka badań 61 3.4.2. Wyniki badań 62 3.5. Wpływ prędkości odkształcenia na właściwości mechaniczne drewna 66 3.6. Określenie wartości trwałych odkształceń materiału w wyniku odciążenia 67 3.7. Badania rozdrobnionych odpadów drewnopodobnych 68 3.7.1. Próba ścinania 68 3.7.2. Metodyka badań 69 3.7.3. Wyniki badań i ich opracowanie 72 3.8. Badania współczynnika tarcia 74 3.8.1. Metodyka badań 74 3.8.2. Wyniki badań 77 3.9. Badania współczynnika przewodzenia ciepła 78 4. Modelowanie przepływu ciepła w uplastycznianych i zagęszczanych naturalnych polimerach 87 4.1. Założenia do fourierowskiego przepływu ciepła 87 4.2. Fourierowski przepływ ciepła 87 4.3. Przykładowe formuły opisujące przewodność cieplną 93 4.4. Przewodność cieplna 95 4.4.1. Anizotropia naturalnych polimerów a przewodność cieplna 95 4.4.2. Aproksymacja arkustangensowa przewodności cieplnej 96 4.5. Ciepło właściwe 102 4.6. Współczynnik dyfuzyji 104 4.7. Symulacja komputerowa procesu przewodzenia ciepła 108 4.7.1. Rozkład temperatury w warstwie materiału anizotropowego 108 4.7.2. Rozkład temperatury w warstwie rozdrobnionego materiału o właściwościach izotropowych 115 5. Analiza procesów uplastyczniania naturalnych polimerów 121 5.1. Uplastycznianie materiału anizotropowego 121 5.2. Warunek plastyczności porowatego materiału anizotropowego w zastosowaniu do uplastyczniania metodą walcowania 125 5.3. Warunek plastyczności rozdrobnionego materiału izotropowego w zastosowaniu do uplastyczniania i zagęszczania w kanale formującym 131 5.4. Obciążenia uplastyczniające określone analitycznie; zagadnienia początkowo-brzegowe 141 5.4.1. Rozkład naprężeń granicznych uplastycznienia warstwy wierzchniej drewna 141 5.4.2. Siła uplastycznienia rozdrobnionych odpadów drzewnych w kanale stożkowym 146 6. Symulacje komputerowe procesów uplastyczniania i zagęszczania 149 6.1. Analiza numeryczna procesu walcowania drewna na gorąco 149 6.2. Analiza numeryczna procesu zagęszczania w kanale stożkowym 157 7. Aplikacja wyników badań 162 8. Omówienie wyników 173 9. Podsumowanie 181 Literatura 186