Технологія і механічні властивості армованого неперервним волокном 3D-друкованого термопластичного композиту

Проблематика. Адитивні технології на базі методів моделювання пошаровим наплавленням (МПН) привертають велику увагу як промисловості, так і дослідницьких груп, що пояснюється низькими інвестиційними витратами, простотою виробництва тощо. У разі правильного вибору параметрів обробки можна отримати вироби з механічними властивостями близькими до виробів, отриманих за традиційними технологіями. Мета. Практична реалізація модернізованої технології для 3D-друку зразків полілактиду (ПЛА), армованих неперервним кевларовим волокном, за методом ПНМ та визначення їхніх механічних властивостей. Методика реалізації базується на експериментально-теоретичних дослідженнях границі міцності на розрив та модуля пружності і включає випробування експериментальних зразків на електромеханічній машині SHIMADZU AGS-X і розв’язання оберненої задачі напружено-деформованого стану, відповідно. Результати. Надруковано експериментальні зразки термопластичного композиту (ПЛА+волокно Кевлар Æ0,3 мм) та проведено їх випробування на розтяг. За інтервалу довірчої імовірності 0,68 похибка визначення границі міцності на розрив становить 3,5%, а модуля пружності – 4,5%. Встановлено, що міцність на розрив армованого композиту порівняно з неармованим за об’ємної частки кевлару близько 12% збільшується в 2,38 рази, а модуль пружності – в 1,45 рази. Отримано теоретичну залежність для прогнозування модуля пружності термопластичних композитів в напрямку армування в діапазоні зміни ступеня армування до 15 %. Висновки. Обґрунтовано застосування адитивних технологій на базі ПНМ для 3D-друку термопластичних композитів з підвищеними механічними властивостями

Дослідження сучасного стану технології виробництва ізостатичного графіту

The study of isostatic graphite production process and its development trends in the world market was conducted.It was established that the isostatic graphite production is a complex and multistage process that requires careful preparation of raw materials, the usage of powerful specialized pressing equipment, the use of elaborate heat treatment modes etc. As a result, it creates a high final price comparing to other brands of graphite materials.Methods of synthesis, analysis and systematization of available information regarding the isostatic graphite production were used for the study.The peculiarities of foreign isostatic graphite production technology were determined, which allows to set directions of improvement by Ukrainian producers, namely:-     choice of components and their composition for coke and pitch mixture;-     adding special modifiers;-     optimization of particle size distribution of the filler;-     setting the pressure for pressing moulding powder;-     choice of modes of blanks thermal processing etc.The level of future growth in global demand is determined for isostatic graphite materials and products based on it, which is more than 5 % of the annual global volume of production.The results enable further research in order to develop equipment and rational modes of grinding, mixing and pressing coke-pitch compositions using available Ukrainian brand coke and pitch. Furthermore, it will allow in the future to conduct a study of pressed billets heat treatment to reduce the unit cost of electricity and improve the process of isostatic graphite material manufacturing.Проанализированы основные этапы современной технологии производства высокодисперсного изостатического графита. Установлены особенности и возможные направления ее совершенствования на предприятиях Украины. Рассмотрены основные факторы, которые определяют спрос на изостатический графитовый материал. Спрогнозирован дальнейший рост более чем на 5 % ежегодного объема производства изостатического графита на мировом рынке, особенно в странах Восточной Азии.Проаналізовано основні етапи сучасної технології виробництва високодисперсного ізостатичного графіту. Встановлено особливості та можливі напрямки її удосконалення на підприємствах України. Розглянуто основні фактори, що визначають попит на ізостатичний графітовий матеріал. Спрогнозовано подальше зростання більш ніж на 5 % щорічного обсягу виробництва ізостатичного графіту на світовому ринку, особливо в країнах Східної Азії

Дослідження сучасного стану технології виробництва ізостатичного графіту

The study of isostatic graphite production process and its development trends in the world market was conducted.It was established that the isostatic graphite production is a complex and multistage process that requires careful preparation of raw materials, the usage of powerful specialized pressing equipment, the use of elaborate heat treatment modes etc. As a result, it creates a high final price comparing to other brands of graphite materials.Methods of synthesis, analysis and systematization of available information regarding the isostatic graphite production were used for the study.The peculiarities of foreign isostatic graphite production technology were determined, which allows to set directions of improvement by Ukrainian producers, namely:-     choice of components and their composition for coke and pitch mixture;-     adding special modifiers;-     optimization of particle size distribution of the filler;-     setting the pressure for pressing moulding powder;-     choice of modes of blanks thermal processing etc.The level of future growth in global demand is determined for isostatic graphite materials and products based on it, which is more than 5 % of the annual global volume of production.The results enable further research in order to develop equipment and rational modes of grinding, mixing and pressing coke-pitch compositions using available Ukrainian brand coke and pitch. Furthermore, it will allow in the future to conduct a study of pressed billets heat treatment to reduce the unit cost of electricity and improve the process of isostatic graphite material manufacturing.Проанализированы основные этапы современной технологии производства высокодисперсного изостатического графита. Установлены особенности и возможные направления ее совершенствования на предприятиях Украины. Рассмотрены основные факторы, которые определяют спрос на изостатический графитовый материал. Спрогнозирован дальнейший рост более чем на 5 % ежегодного объема производства изостатического графита на мировом рынке, особенно в странах Восточной Азии.Проаналізовано основні етапи сучасної технології виробництва високодисперсного ізостатичного графіту. Встановлено особливості та можливі напрямки її удосконалення на підприємствах України. Розглянуто основні фактори, що визначають попит на ізостатичний графітовий матеріал. Спрогнозовано подальше зростання більш ніж на 5 % щорічного обсягу виробництва ізостатичного графіту на світовому ринку, особливо в країнах Східної Азії

Модифікація неявного алгоритму розв’язання задачі пружно-пластичності сипких матеріалів

A mathematical statement is given of the elastic-plastic behavior of isotropic bulk material using a classic model of Drucker-Prager. We have improved the return-mapping algorithm for solving numerically a problem on the mechanical state of bulk material. In order to solve a system of nonlinear equations by the Newton method, it is proposed, at each step of iterations, instead of finding the inverse matrix, to solve a system of algebraic equations, linearized by Newton, by applying the Gauss exclusion method. This makes it possible to reduce the number of arithmetic operations by about 3n2 (n is the dimensionality of SLAE) at each iteration step for each plastic finite element. We have tested the programming code developed on the high-level programming language Fortran on the example of a model material, characterized by the associative law of current, at different values of the angle of natural repose. Comparison of the obtained results of numerical experiment with the data received by applying the proprietary software revealed a deviation within 0.25–5.3 % depending on the desired magnitudeРассмотрена математическая постановка задачи упругопластического состояния сыпучего материала с использованием классической модели Друкера-Прагера. Выполнено усовершенствование методики численного решения задачи механического состояния сыпучего материала с использованием алгоритма обратного отображения. Проведены численные расчеты на примере материала, который характеризуется ассоциативным законом течения, при различных значениях угла естественного откосаРозглянуто математичну постановку задачі пружно-пластичного стану сипкого матеріалу з використанням класичної моделі Друкера–Прагера. Виконано вдосконалення методики числового розв’язання задачі механічного стану сипкого матеріалу з використанням алгоритму зворотного відображення. Проведено числові розрахунки на прикладі матеріалу, що характеризується асоціативним законом течії, за різних значень кута природного укос

Визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів

A procedure has been devised for determining the effective thermophysical properties of bulk materials with different granulometric and material composition, based on the integration of discrete and continuous models of media. The problem on the mechanical-thermal state of a cylindrical layer of bulk material has been stated in order to determine its effective thermophysical properties. Based on the discrete-continuous perceptions of bulk media, an approach has been suggested and a procedure has been devised for solving the problem set. The algorithm for determining effective values of thermophysical properties of bulk materials has been constructed. Numerical implementation of the developed procedure was performed using free open source software (LIGGGHTS, ParaView). The proposed procedure makes it possible to determine effective values for the thermophysical properties of a bulk material (bulk density, effective thermal conductivity coefficient and the effective value for isobaric mass heat capacity) with arbitrary material and granulometric composition. In this case, there is a need for a minimum volume of complex and costly experimental studies with subsequent numerical simulation of the process of the mechanical-thermal state of the examined bulk material. In this case, the true physical properties can be acquired from reference books. Using an example of model material, its effective thermophysical properties have been defined for different granulometric composition and the verification of the developed procedure has been performed. It was established that data on the effective thermal conductivity calculation based on the devised procedure differ from data obtained based on the theoretical averaged dependences, within 0.8‒9.0 %. The reported results are useful for numerical analysis in the continual approximation of thermal modes of the processes and equipment where bulk materials are usedРазработана методика определения эффективных теплофизических свойств сыпучих материалов различного гранулометрического и материального состава, основанная на объединении дискретной и континуальной моделей среды. Сформулирована задача механотермического состояния цилиндрического слоя сыпучего материала для определения его эффективных теплофизических свойств. На основе дискретно-континуальных представлений о сыпучей среде предложен подход и разработана методика решения поставленной задачи. Разработан алгоритм определения эффективных значений теплофизических свойств сыпучих материалов. Численная реализация разработанной методики выполнена с использованием свободно открытого программного обеспечения (LIGGGHTS, ParaView). Предложенная методика позволяет определять эффективные значения теплофизических свойств сыпучего материала (насыпной плотности, эффективного коэффициента теплопроводности и эффективного значения изобарной массовой теплоемкости) произвольного материального и гранулометрического состава. В этом случае необходимо проведение минимального объема сложных и затратных экспериментальных исследований с последующим численным моделированием процесса механотермического состояния исследуемого сыпучего материала. При этом истинные физические свойства можно брать со справочников. На примере модельного материала определены его эффективные теплофизические свойства для различного гранулометрического состава и проведена верификация разработанной методики. Установлено, что данные расчетов эффективной теплопроводности по разработанной методике отличаются от данных, полученных по осредненным теоретическим зависимостям, в пределах 0,8–9,0 %. Результаты исследований являются полезными для численного анализа в континуальном приближении тепловых режимов процессов и оборудования, где используются сыпучие материалыРозроблено методику визначення ефективних теплофізичних властивостей сипких матеріалів різного гранулометричного та матеріального складу, що базується на поєднанні дискретного і континуального уявлень про середовище. Сформульовано задачу механотермічного стану циліндричного шару сипкого матеріалу для визначення його ефективних теплофізичних властивостей. На базі дискретно-континуальних уявлень про сипке середовище запропоновано підхід та розроблено методику розв’язання поставленої задачі. Розроблено алгоритм визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів. Числову реалізацію розробленої методики виконано з використанням вільно відкритого програмного забезпечення (LIGGGHTS, ParaView). Пропонована методика дає змогу визначити ефективні значення теплофізичних властивостей сипкого матеріалу (насипної густини, ефективного коефіцієнта теплопровідності та ефективного значення ізобарної масової теплоємності) довільного матеріального й гранулометричного складу. У цьому разі потрібне проведення мінімального обсягу складних і витратних експериментальних досліджень з наступним числовим моделюванням процесу механотермічного стану досліджуваного сипкого матеріалу. При цьому істинні фізичні властивості можна брати з довідників. На прикладі модельного матеріалу визначено ефективні теплофізичні властивості сипких матеріалів за різного гранулометричного складу та проведено верифікацію розробленої методики. Встановлено, що дані розрахунків ефективної теплопровідності за розробленою методикою відрізняються від даних, отриманих за осередненими теоретичними залежностями, в межах 0,8–9,0 %. Результати дослідження є корисними для числового аналізу в континуальному наближенні теплових режимів процесів та обладнання, де застосовуються сипкі матеріал

Визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів

A procedure has been devised for determining the effective thermophysical properties of bulk materials with different granulometric and material composition, based on the integration of discrete and continuous models of media. The problem on the mechanical-thermal state of a cylindrical layer of bulk material has been stated in order to determine its effective thermophysical properties. Based on the discrete-continuous perceptions of bulk media, an approach has been suggested and a procedure has been devised for solving the problem set. The algorithm for determining effective values of thermophysical properties of bulk materials has been constructed. Numerical implementation of the developed procedure was performed using free open source software (LIGGGHTS, ParaView). The proposed procedure makes it possible to determine effective values for the thermophysical properties of a bulk material (bulk density, effective thermal conductivity coefficient and the effective value for isobaric mass heat capacity) with arbitrary material and granulometric composition. In this case, there is a need for a minimum volume of complex and costly experimental studies with subsequent numerical simulation of the process of the mechanical-thermal state of the examined bulk material. In this case, the true physical properties can be acquired from reference books. Using an example of model material, its effective thermophysical properties have been defined for different granulometric composition and the verification of the developed procedure has been performed. It was established that data on the effective thermal conductivity calculation based on the devised procedure differ from data obtained based on the theoretical averaged dependences, within 0.8‒9.0 %. The reported results are useful for numerical analysis in the continual approximation of thermal modes of the processes and equipment where bulk materials are usedРазработана методика определения эффективных теплофизических свойств сыпучих материалов различного гранулометрического и материального состава, основанная на объединении дискретной и континуальной моделей среды. Сформулирована задача механотермического состояния цилиндрического слоя сыпучего материала для определения его эффективных теплофизических свойств. На основе дискретно-континуальных представлений о сыпучей среде предложен подход и разработана методика решения поставленной задачи. Разработан алгоритм определения эффективных значений теплофизических свойств сыпучих материалов. Численная реализация разработанной методики выполнена с использованием свободно открытого программного обеспечения (LIGGGHTS, ParaView). Предложенная методика позволяет определять эффективные значения теплофизических свойств сыпучего материала (насыпной плотности, эффективного коэффициента теплопроводности и эффективного значения изобарной массовой теплоемкости) произвольного материального и гранулометрического состава. В этом случае необходимо проведение минимального объема сложных и затратных экспериментальных исследований с последующим численным моделированием процесса механотермического состояния исследуемого сыпучего материала. При этом истинные физические свойства можно брать со справочников. На примере модельного материала определены его эффективные теплофизические свойства для различного гранулометрического состава и проведена верификация разработанной методики. Установлено, что данные расчетов эффективной теплопроводности по разработанной методике отличаются от данных, полученных по осредненным теоретическим зависимостям, в пределах 0,8–9,0 %. Результаты исследований являются полезными для численного анализа в континуальном приближении тепловых режимов процессов и оборудования, где используются сыпучие материалыРозроблено методику визначення ефективних теплофізичних властивостей сипких матеріалів різного гранулометричного та матеріального складу, що базується на поєднанні дискретного і континуального уявлень про середовище. Сформульовано задачу механотермічного стану циліндричного шару сипкого матеріалу для визначення його ефективних теплофізичних властивостей. На базі дискретно-континуальних уявлень про сипке середовище запропоновано підхід та розроблено методику розв’язання поставленої задачі. Розроблено алгоритм визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів. Числову реалізацію розробленої методики виконано з використанням вільно відкритого програмного забезпечення (LIGGGHTS, ParaView). Пропонована методика дає змогу визначити ефективні значення теплофізичних властивостей сипкого матеріалу (насипної густини, ефективного коефіцієнта теплопровідності та ефективного значення ізобарної масової теплоємності) довільного матеріального й гранулометричного складу. У цьому разі потрібне проведення мінімального обсягу складних і витратних експериментальних досліджень з наступним числовим моделюванням процесу механотермічного стану досліджуваного сипкого матеріалу. При цьому істинні фізичні властивості можна брати з довідників. На прикладі модельного матеріалу визначено ефективні теплофізичні властивості сипких матеріалів за різного гранулометричного складу та проведено верифікацію розробленої методики. Встановлено, що дані розрахунків ефективної теплопровідності за розробленою методикою відрізняються від даних, отриманих за осередненими теоретичними залежностями, в межах 0,8–9,0 %. Результати дослідження є корисними для числового аналізу в континуальному наближенні теплових режимів процесів та обладнання, де застосовуються сипкі матеріал

The development of carbon monoxide oxidation reactor for multi-chamber furnaces for baking electrode blanks

The article highlights the development of cheap affordable highly efficient catalytic oxidation system of harmful components of industrial flue gases of carbon graphite enterprises, its design features according to the parameters of furnace equipment, which will significantly improve the environmental safety of metallurgical and machine-building enterprises. The presented calculation and design solutions, in addition to carbon production, can be used in environmental protection technologies at other environmentally hazardous facilities to neutralize toxic emissions. The paper presents the calculation of the catalytic CO oxidation reactor made for the real flow rate of flue gases with temperature range 270−390 ºC, which come out of the combustion chamber of the Riedhammer "first fire" kiln, heated by the flue gases. For such medium exothermic processes, mass and heat transfer between gas flow and the outer surface of the catalyst grains is sufficient intense. In this case for description of the catalytic process in the reactor is sufficient to use quasi-homogeneous single-phase model. The model of plug-flow reactor with a fixed bed of catalyst was used to calculate the flow parameters of the gas mixture through a reactor loaded with a composite zeolite-based manganese-oxide catalyst in the process of catalytic CO oxidation. The calculation results obtained using the software CHEMCAD 7.1.5 were almost identical to the previously made calculation. The peculiarity of the suggested solution was the use of the designed catalytic reactor for treatment of large volume of flue gases with low concentrations of CO at the companies of electrode carbon graphite productio

Числове моделювання фізичних полів процесу сушіння паперу для гофрування інфрачервоним випромінюванням

By using a numerical model, developed based on the proposed physical and mathematical models, we performed a numerical study of non-stationary temperature fields and moisture content of the process of infrared radiation drying of fluting. A distinctive feature of present study is a combined consideration of the kinetics of drying process, translucency to the IR radiation of the material using the approximations of the Burgers' models, "gray" medium and diffuse reflection of boundaries. Verification of the numerical model demonstrated a convergence of results of numerical modeling of the fluting surface temperature, duration and speed of its drying with the data of physical experiment within the range of 5 % on the interval of change in the square meter mass of dry fluting from 0.112 kg/m2 to 0.2 kg/m2. It is substantiated that the developed numerical model makes it possible to define kinetic patterns and basic parameters required to intensify the process of drying and to design the appropriate equipment.С помощью численной модели, разработанной на основе предложенных физической и математической моделей, выполнено моделирование процесса сушки флютинга инфракрасным излучением. Верификация числовой модели показала сходимость результатов числового моделирования температуры поверхности флютинга, продолжительности и скорости сушки данным физического эксперимента. При массе квадратного метра сухого флютинга от 0,112 кг/м2 до 0,2 кг/м2 отклонения результатов составило до 5 %За допомогою числової моделі, розробленої на базі запропонованих фізичної та математичної моделей, виконано моделювання процесу сушіння флютингу інфрачервоним випромінюванням. Верифікація числової моделі показала збіжність результатів числового моделювання температури поверхні флютингу, тривалості та швидкості сушіння з даними фізичного експерименту. За маси квадратного метра сухого флютингу від 0,112 кг/м2 до 0,2 кг/м2 відхилення результатів становило до 5

Про визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок методами структурної механіки

Метою статті є відпрацювання та перевірка числових методик визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок з використанням методу скінченних елементів, а також зв’язку між параметрами молекулярної і структурної механіки. Дослідження проводилося для нанотрубок різних типів просторово-каркасних моделей, а саме типу «крісло» (armchair), типу «зиґзаґ» (zigzag) і типу «хіральна» (chiral). Для побудови моделей нанотрубок зазначених типів розроблено програмні коди у середовищі вільно відкритого програмного забезпечення Gmsh. Розглянуто формулювання лінійних і нелінійних співвідношень для визначення параметрів структурної механіки на основі енергетичних потенціалів та силових коефіцієнтів молекулярної механіки. Формулювання нелінійної задачі дістали певного уточнення в частині визначення співвідношень «узагальнена деформація – узагальнені напруження». Розроблено числові моделі для дослідження модуля пружності нанотрубок різного типорозміру, що представляють собою макроси на мові програмування APDL ANSYS Mechanical APDL. Результати порівняння отриманих результатів показали задовільне узгодження з теоретичними та експериментальними даними: розбіжність з відомими теоретичними оцінками становить 0,08–5,1 %. Запропоновані верифіковані числові методики для визначення модуля пружності нанотрубок у подальшому планується застосовувати для розроблення нових полімерних нанокомпозитів

Про визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок методами структурної механіки

The purpose of article is working off and check of numerical techniques of definition of the elasticity module of single-walled carbon nanotubes with use of a method of final elements, and also ties between parameters of molecular and structural mechanics. Researches were conducted for nanotubes of various types of spatial and frame models, namely the armchaіr type, the zigzag type and the chіral type. Program codes with use of freely open software of Gmsh are developed for design of models of nanotubes of these types. Formulations of linear and nonlinear ratios for determination of parameters of structural mechanics on the basis of energy potentials and power coefficients of molecular mechanics are considered. The formulation of a nonlinear problem received a certain specification regarding definition of ratios "the generalized deformation – the generalized tension". The numerical models for research of the elasticity module of nanotubes of various dimension-types (chіrality and diameter) representing macroes in the APDL ANSYS Mechanical APDL programming language are developed. Results of comparison of the received results showed satisfactory coordination with theoretical and experimental data: the divergence with the known theoretical estimates makes 0.08–5.1 %. The offered verified numerical techniques for definition of the elasticity module of nanotubes are planned to be used further for development of new polymeric nanocomposites.Целью статьи является отработка и проверка числовых методик определения модуля упругости однослойных углеродных нанотрубок с использованием метода конечных элементов, а также связи между параметрами молекулярной и структурной механики. Исследования проводились для нанотрубок различных типов пространственно-каркасных моделей, а именно типа "кресло" (armchaіr), типа "зигзаг" (zіgzag) и типа "хиральная" (chіral). Для построения моделей нанотрубок указанных типов разработаны программные коды с использованием свободно открытого программного обеспечения Gmsh. Рассмотрены формулировки линейных и нелинейных соотношений для определения параметров структурной механики на основе энергетических потенциалов и силовых коэффициентов молекулярной механики. Формулировка нелинейной задачи получила определённое уточнение в части определения соотношений "обобщённая деформация – обобщённые напряжения". Разработаны численные модели для исследования модуля упругости нанотрубок различного типоразмера (хиральности и диаметра), представляющие собой макросы на языке программирования APDL ANSYS Mechanіcal APDL. Результаты сравнения полученных результатов показали удовлетворительное согласование с теоретическими и экспериментальными данными: расхождение с известными теоретическими оценками составляет 0,08–5,1 %. Предложенные верифицированные численные методики для определения модуля упругости нанотрубок в дальнейшем планируется использовать для разработки новых полимерных нанокомпозитов.Метою статті є відпрацювання та перевірка числових методик визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок з використанням методу скінченних елементів, а також зв’язку між параметрами молекулярної і структурної механіки. Дослідження проводилося для нанотрубок різних типів просторово-каркасних моделей, а саме типу «крісло» (armchair), типу «зиґзаґ» (zigzag) і типу «хіральна» (chiral). Для побудови моделей нанотрубок зазначених типів розроблено програмні коди у середовищі вільно відкритого програмного забезпечення Gmsh. Розглянуто формулювання лінійних і нелінійних співвідношень для визначення параметрів структурної механіки на основі енергетичних потенціалів та силових коефіцієнтів молекулярної механіки. Формулювання нелінійної задачі дістали певного уточнення в частині визначення співвідношень «узагальнена деформація – узагальнені напруження». Розроблено числові моделі для дослідження модуля пружності нанотрубок різного типорозміру, що представляють собою макроси на мові програмування APDL ANSYS Mechanical APDL. Результати порівняння отриманих результатів показали задовільне узгодження з теоретичними та експериментальними даними: розбіжність з відомими теоретичними оцінками становить 0,08–5,1 %. Запропоновані верифіковані числові методики для визначення модуля пружності нанотрубок у подальшому планується застосовувати для розроблення нових полімерних нанокомпозитів