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

Przedmiotem rozprawy jest problematyka użycia procesów uplastyczniania i zagęszczania naturalnych polimerów dla potrzeb konstruowania sprzętów. Rozważano zagadnienia dotyczące opracowania metod uplastycznienia i zagęszczenia warstwy materiałów nieklasycznych z wykorzystaniem ich rzeczywistej struktury i atrybuty termomechanicznych. Omawiane są dwa odrębne procesy techniczne. Pierwszy z nich dotyczy uplastycznienia wierzchniej warstwy drewna, materiału konstrukcyjnego reprezentującego polimery o właściwościach porowatych i anizotropowych. Drugi – uplastycznienia warstwy wierzchniej i 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. Wyznaczono na potrzebę opracowania teorii i metod uplastyczniania i zagęszczania naturalnych polimerów zorientowaną na formułowanie założeń projektowych i konstruowanie urządzeń 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. Wyrózniono na dwa podstawowe profile parametry naturalnych polimerów, które standardowo wyznaczają dwie kategorie: grzejną i mechaniczną. W kategorii grzewczej 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 właściwości 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 parametry naturalnych polimerów stanowią podstawę do formułowania związków konstytutywnych przewodzenia ciepła oraz plastyczności. Rozdział 3 prezentuje obfity zakres własnych badań doświadczalnych atrybuty termomechanicznych drewna i odpadów drzewnych. Dotyczy to w szczególności określenia wytrzymałości i granic plastyczności w trakcie rozciągania, ściskania i ścinania w poszczególnych kierunkach ortotropii z uwzględnieniem temperatury i wilgotności. Wyodrębniono dla drewna charakterystyki trwałych odkształceń w wyniku odciążenia, a także charakterystyki ukazujące wpływ prędkości odkształcenia na jego atrybuty mechaniczne. Zamieszczono na dodatek uzyskane w warunkach zmiennej temperatury i wilgotności wyniki badań zagęszczania rozdrobnionych odpadów drzewnych. Wy znaczono charakterystyki: zagęszczenia w funkcji siły zagęszczającej, naprężeń tnących w funkcji odkształcenia i przemieszczenia, związku pomiędzy naprężeniami tnącymi i normalnymi, współczynnika tarcia wewnętrznego i zewnętrznego (zagęszczany materiał–stalowy kanał). Produkowano badania współczynnika przewodzenia ciepła drewna w funkcji temperatury w poszczególnych kierunkach ortotropii i traktowanych jako materiał izotropowy rozdrobnionych odpadów drzewnych o przeróżnym 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 atrybuty 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 składników skończonych w środowisku komercyjnego programu Abaqus kanon. Przedstawiono także, 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 sytuacji uplastycznianego drewna zaproponowano model materiału rewelacyjnie plastycznego i warunek plastyczności uwzględniający anizotropię Azzi-Tsai- -Hilla. Modelowanie cyklu uplastyczniania i zagęszczania rozdrobnionych odpadów drzewnych oparto na warunku plastyczności Hubera-von Misesa opracowanego dla ośrodków izotropowch. W warunkach plastyczności obu procesów technicznych uwzględniono wpływ temperatury i wilgotności. Wprowadzając pewne założenia usprawniające, opracowano analitycznie zależności, z których można wskazać siłę uplastycznienia warstwy drewna metodą walcowania i siłę uplastycznienia rozdrobnionych odpadów drzewnych w kanale stożkowym.
W rozdziale 6 przedstawiono wyniki modelowania numerycznego cyklu uplastyczniania warstwy drewna metodą walcowania i rozdrobnionych odpadów drzewnych w kanale stożkowym. Symulację numeryczną produkowano, korzystając z w pełni sprzężonej termiczno-naprężeniowej analizy metodą komponentów skończonych w środowisku programu Abaqus standard. Obliczenia rozkładu naprężeń w warstwie uplastycznianych tworzyw przeprowadzono, przyjmując cechy geometryczne typowe dla maszyny realizującej proces uszlachetnienia drewna i maszyny do zagęszczania rozdrobnionych odpadów drzewnych. Wykorzystano również wyróznione doświadczalnie funkcje opisujące termomechaniczne cechy uplastycznianych i zagęszczanych tworzyw.
Rozdział 7 poświecono aplikacyjnemu znaczeniu wyników wyprodukowanych badań doświadczalnych dotyczących cechy termomechanicznych rozważanych w pracy 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 technologii tłokowej i maszyną dopasowaną do aglomeracji w technice formowania ślimakowego. Takie połączenie modułów sprzętów z modułami badawczo-pomiarowymi umożliwiło wykonanie badań optymalizacyjnych parametrów technicznych obu procesów, w tym wartości rzeczywistych sił uplastycznienia zagęszczanych tworzyw. W rozdziale 8 przeanalizowano wyniki uzyskane w trakcie badań doświadczalnych obejmujących atrybuty mechaniczne i cieplne drewna i jego rozdrobnionych odpadów. Dotyczy to dodatkowo wyników, jakie uzyskano na podstawie analitycznie i numerycznie sformułowanych modeli, rozkładów temperatury i naprężeń w warstwie uplastycznianych tworzyw metodą walcowania na gorąco oraz zagęszczania w kanale stożkowym. Wyrózniono 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 i wykorzystywanych w praktyce przemysłowej określonych parametrów technologicznych.
Rozdział 9 stanowi podsumowanie i wnioski. Wyrózniono w dodatku kierunki dalszych badań.