Математичне моделювання напружено-деформівного стану деревини у процесі конвективного сушіння

Abstract

У дисертації розв’язано актуальну наукову задачу математичного моделювання процесів тепломасоперенесення і пружнов’язкопластичного деформування з урахуванням механіко-сорбційної повзучості у гігроскопічних капілярно-пористих матеріалах зі змінними анізотропними тепломеханічними характеристиками, що має важливе значення для раціонального вибору та обґрунтування енергозбережних технологій сушіння деревини за умови забезпечення необхідної якості продукції. Зреалізовано сформульовану математичну модель деформування деревини під час сушіння, яка дає змогу визначити двовимірний напружено-деформівний стан в умовах неізотермічного вологоперенесення, методом скінченних елементів. Побудовано алгоритм методу скінченних елементів для дослідження двовимірного анізотропного напружено-деформівного стану під час сушіння капілярно-пористих матеріалів у пружнов’язкопластичній області деформування з урахуванням механіко-сорбційної повзучості. Розроблено прикладне програмне забезпечення, яке складається із задокументованих класів і дає можливість автоматизувати скінченно-елементний аналіз напружено-деформівного стану деревини під час конвективного сушіння. Сформульовано та розв’язано задачу оптимізації процесу сушіння деревини, яка дає можливість визначати параметри режимів процесу сушіння з урахуванням обмежень на напружено-деформівний стан, що не перевищує границю міцності матеріалу. Запропоновано спосіб вимірювання та контролю деформацій у капілярно-пористих матеріалах під час сушіння. В диссертации решена актуальная научная задача математического моделирования процессов тепломассопереноса и упруговязкопластических деформаций с учетом механико-сорбционной ползучести в гигроскопических капиллярно-пористых материалах с переменными анизотропными тепломеханическими характеристиками, которая имеет важное значение для рационального выбора и обоснования энергосберегающих технологий сушки древесины при обеспечении необходимого качества продукции. Сформулировано математическую модель упруговязкопластических деформаций древесины в процессе сушки, которая учитывает пластические деформации, деформации, обусловленные механико-сорбционной ползучестью и анизотропией механических характеристик материала, а также позволяет определить двухмерное напряженно-деформированное состояние в условиях неизотермического влагопереноса. Для численной реализации математических моделей взаимосвязанных процессов тепломассопереноса и упруговязкопластического деформирования древесины в процессе сушки использован метод конечных элементов с учетом механико-сорбционных и пластических деформаций и механизма перерождения деформаций. Для этого на основе минимума полной потенциальной энергии получено эквивалентное вариационное формулирование задач. На основе разработанных математических моделей исследовано влияние анизотропии вязкоупругих характеристик древесины, характеристик механико-сорбционной ползучести, коэффициентов усушки на смену упруговязкопластического состояния древесины в процессе сушки. Разработанные математические модели и сформулированная задача оптимизации позволяют связывать параметры технологического процесса сушки древесины с температурно-влажностными полями и упруговязко-пластическими деформациями в материале. Поэтому на основе анализа закономерностей развития напряжений деформированного состояния древесины предложен способ прогнозирования и непрерывного контроля деформаций в процессе сушки гигроскопических материалов. Сочетание способа измерения деформаций и разработанного программного обеспечения с графическим интерфейсом для ввода входных данных технологического процесса сушки и визуализации результатов исследования, дает возможность сделать рациональный выбор режимных параметров процесса сушки древесины за счет прогнозирования и своевременного выявления предельно допустимых значений напряжений в материале. In the thesis there is solved a current scientific problem of mathematical modeling of heat-mass transfer processes and elastic-viscous-plastic deformation taking into account the mechanics and sorption creep in hygroscopic capillary-porous materials with variable anisotropic heat and mechanics characteristics what is of importance for the rational choice and substantiation of energy conservative technologies of timber drying under the conditions of necessary qualitative production providing. There has been implemented the formulated mathematical model of timber deformation during the drying process which enables to identify two-dimensional intense-deforming state under the conditions of non-isothermal humidity transfer by means of the finite elements method. This method has been developed for the research of the two-dimensional anisotropic intense-deforming state during the capillary-porous materials drying process in an elastic-viscous-plastic area of deformation taking into account the mechanics and sorption creep. There has been elaborated the applied software which consists of the documented classes and provides the possibility to automate the finite-elemental analysis of timber intense-deforming state during the convective drying process. The problem of timber drying process optimization has been formulated and solved which enables to define the parameters of the drying process conditions taking into consideration the restrictions on the intense-deforming state which does not exceed the solidity limit of the material. There has been suggested a method of deformation measurement and control in capillary-porous materials during the drying process.