Υπολογιστική διερεύνηση των συνθηκών ψύξης κατά την τόρνευση με χρήση υβριδικού μοντέλου FEM-CFD

Κανέλλος, Πολυχρόνης; Kanellos, Polychronis

dc.contributor.author	Κανέλλος, Πολυχρόνης	el
dc.contributor.author	Kanellos, Polychronis	en
dc.date.accessioned	2018-12-06T11:43:16Z
dc.date.available	2018-12-06T11:43:16Z
dc.date.issued	2018-12-06
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48231
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16018
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Κατεργασία κοπής	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Προσομοίωση κοπής	el
dc.subject	Υβριδικό μοντέλο FEM-CFD	el
dc.subject	Υπολογισμός συντελεστή συναγωγής h	el
dc.subject	Cutting process	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Cutting process simulation	en
dc.subject	Hybrid FEM-CFD model	en
dc.subject	Calculation of the convective heat transfer coefficient	el
dc.title	Υπολογιστική διερεύνηση των συνθηκών ψύξης κατά την τόρνευση με χρήση υβριδικού μοντέλου FEM-CFD	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-26
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η δημιουργία, με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και της υπολογιστικής ρευστομηχανικής(πεπερασμένοι όγκοι), ενός υβριδικού μοντέλου τόρνευσης σε τρεις διαστάσεις. Σκοπός της εργασίας ήταν η υπολογιστική διερεύνηση των συνθηκών ψύξης του κοπτικού, οι οποίες περιγράφονται από τον συντελεστή συναγωγής θερμότητας με το περιβάλλον, ο οποίος υπολογίζεται μέσα από την σύζευξη ενός μοντέλου FEM με ένα αντίστοιχο CFD μοντέλο. Το FEM μοντέλο δημιουργήθηκε στο περιβάλλον Abaqus/Explicit. Η γεωμετρία του κοπτικού και του τεμαχίου προς κατεργασία κατασκευάστηκε στο σχεδιαστικό λογισμικό SolidWorks και εισάχθηκε κατόπιν στο Abaqus. Το τρισδιάστατο μοντέλο που δημιουργήθηκε διαφέρει από τα κλασσικά μοντέλα τόρνευσης που έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν. Αποτέλεσμα του μοντέλου FEM ήταν η θερμοκρασία κοπής της τόρνευσης, με την αρχική τιμή του συντελεστή συναγωγής να προέρχεται από εκτίμηση μέσα στο εύρος που ορίζεται από την βιβλιογραφία. Αυτή η θερμοκρασία εισάγεται στο μοντέλο CFD που δημιουργήθηκε στο πακέτο υπολογιστικής ρευστομηχανικής ANSYS CFX. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από την γεωμετρία του κοπτικού και μια περιοχή ρευστού (αέρα) που περιβάλει το κοπτικό, όπου και γίνεται η αριθμητική επίλυση της ροής. Η θερμοκρασία από το FEM εισάγεται στο άκρο του κοπτικού εργαλείου και στο τέλος της ανάλυσης υπολογίζονται οι θερμοκρασίες πάνω στην επιφάνεια του κοπτικού. Με βάση αυτές τις θερμοκρασίες προκύπτει ένας συντελεστής συναγωγής ο οποίος επανεισάγεται στο μοντέλο FEM οδηγώντας σε μία διορθωμένη θερμοκρασία κοπής. Η επαναληπτική διαδικασία εφαρμόζεται μέχρι την τελική σύγκλιση οπότε προκύπτει η πραγματική τιμή του συντελεστή συναγωγής. Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας μοντελοποίησης και επαλήθευση της αποτελεσματικότητας του υβριδικού μοντέλου, το μοντέλο προσομοιώθηκε για διάφορες συνθήκες. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της ταχύτητας του αέρα στο φαινόμενο ψύξης του κοπτικού εργαλείου, κατόπιν μελετήθηκε η επίδραση της ταχύτητας κοπής στις συνθήκες κοπής και τέλος μελετήθηκε η επίδραση της πρόωσης στις συνθήκες κοπής. Οι παραμετρικές μελέτες έγιναν φυσικά κρατώντας όλες τις υπόλοιπες συνθήκες κοπής σταθερές. Η συμπεριφορά του μοντέλου κρίθηκε ικανοποιητική συγκρινόμενη με προηγούμενη μελέτη. Γενικά συμπεράσματα είναι ότι η ταχύτητα αέρα ψύξης επιδρά περισσότερο στην αύξηση του συντελεστή συναγωγής, ενώ η αύξηση της πρόωσης και της ταχύτητας κοπής οδηγεί κάθε φορά σε αύξηση της θερμοκρασίας κοπής. Φυσικά σε κάθε περίπτωση μπορεί να υπολογιστεί ο πραγματικός συντελεστής συναγωγής h.	el
heal.abstract	In this diploma thesis a hybrid model for turning was developed with the aid of a FEM model and a CFD model. The aim of this thesis was to numerically investigate the cooling conditions of the cutting tool, which are described by the convective heat transfer coefficient, which in turn is calculated from the coupling of a FEM model with a corresponding CFD model. The FEM model was created in the Abaqus/Explicit Software. The geometry of the cutting tool and the workpiece were designed in SolidWorks design software and then imported to Abaqus. The 3D turning model created differs from the classical turning 2D models commonly found in literature. Using the FEM model, the cutting temperature of the turning process was derived, using an estimated starting value of the heat transfer coefficient provided by the literature. This found temperature was then fed to a CFD model created in ANSYS CFX software. The latter model consists of the geometry of the cutting tool, as well the fluid region (filled with air) where the numerical solution of the Navier-Stokes equations takes place. The cutting temperature coming from the FEM solution was introduced on the cutting tool tip and at the end of the CFD analysis, the temperature field upon the surface of the cutting tool is known. Based on those temperatures, a convective heat transfer coefficient can be derived, which is then re-introduced in the FEM model, thus triggering an iterative process. This coupling procedure is repeated until the value of the convective heat transfer coefficient has converged. In the end, the real value of the heat transfer coefficient has been determined. After completing the modelling process and verifying its results, the hybrid model was simulated for various conditions. In more detail, the effect of air velocity on the cooling phenomena of the cutting insert was studied, as well as the effect of the cutting speed and feed of cut on the overall cutting conditions were obtained. The aforementioned case studies were executed while keeping every other parameter stable. The results derived from the hybrid model are in accordance with previous study. Some general conclusions are that the cooling air velocity affects greatly the heat transfer coefficient, while an increase on cutting speed or feed of cut result in an increase on the calculated cutting temperature. Nonetheless, a realistic value of the convective heat transfer coefficient is always calculated when using the hybrid model.	en
heal.advisorName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος - Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	95 σ.
heal.fullTextAvailability	true