Finite Element Analysis (FEA) applied to heat transfer optimization process of pultrusion die systems

The aim of this study is to optimize the heat flow through the pultrusion die assembly system on the manufacturing process of a specific glass-fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion profile. The control of heat flow and its distribution through whole die assembly system is of vital importance in optimizing the actual GFRP pultrusion process. Through mathematical modeling of heating-die process, by means of Finite Element Analysis (FEA) program, an optimum heater selection, die position and temperature control was achieved. The thermal environment within the die was critically modeled relative not only to the applied heat sources, but also to the conductive and convective losses, as well as the thermal contribution arising from the exothermic reaction of resin matrix as it cures or polymerizes from the liquid to solid condition. Numerical simulation was validated with basis on thermographic measurements carried out on key points along the die during pultrusion process.

Estudo de Ferramentas FEA Comerciais na Simulação Numérica de Processos de Conformação de Chapas Metálicas. Aplicação à Indústria Automóvel.

Os componentes obtidos através da conformação plástica de chapas têm uma grande importância, tanto na etapa de concepção do produto como na etapa de produção na indústria automóvel. Isto comprova-se pelo facto de, em média, cada automóvel integrar cerca de 500 componentes estampados para construir o chassis e a carroçaria [Alves 2003]. Deste total de componentes, 50 são de grandes dimensões (portas, tejadilho, painéis inferior e laterais, entre outros) e necessitam, em média, de cinco ferramentas para o seu fabrico, sendo o custo estimado para cada ferramenta de 230 000 € [Col 2000, Alves 2003]. Para além da indústria automóvel, a conformação plástica de chapas metálicas é um processo tecnológico presente nas indústrias relativas à aeroespacial, petrolífera, decoração, alimentar, entre outras. Do ponto de vista do enquadramento económico, cerca de 20% do custo total de um automóvel novo é devido à incorporação de componentes metálicos estampados. [Alves 2003]. A pressão do “Mercado Global” faz com que os custos relativos à matéria-prima, energia e mão-de-obra sejam uma constante em termos de redução do seu impacte no orçamento das empresas fornecedoras destes produtos. É neste contexto que surge a necessidade da realização deste estudo de Benchmark de Softwares, tornando-se bastante importante, quer ao nível da competitividade industrial, quer ao nível da inovação para novos produtos. A análise por elementos finitos desempenha um papel primordial no tryout virtual e otimização das ferramentas e processos de conformação plástica. Os objetivos principais deste estudo de simulação numérica são a identificação e comparação dos resultados obtidos pelo AUTOFORM e pelo PAMSTAMP, para cada uma das variáveis identificadas como as mais influentes na robustez dos processos de estampagem de chapa metálica. Estas variáveis identificadas são: consumo de material (Draw-in) após conformação; forças de conformação; valores de variação de espessura e dos valores de extensão e resultados de Springback. Os resultados obtidos são comparados com os resultados experimentais e, desta forma, avalia-se a capacidade inovadora e a eficácia de cada um dos softwares, obtendo-se assim, uma orientação mais real para o software mais indicado aos objetivos impostos pela indústria automóvel. Para este efeito, a indústria automóvel, como maior impulsionador e motor da investigação na área da simulação numérica aplicada aos processos de estampagem, tem aderido em peso ao Benchmarking. Um exemplo disto, é o que acontece nas conferências Numisheet. O Benchmark #2 da conferência Numisheet 2008 é analisado pormenorizadamente e os resultados numéricos e experimentais são comparados e apresentados. Dois materiais distintos (aço HC260LAD e liga de alumínio AC170), assim como três modelos com geometrias diferentes (com e sem freios) são apresentados neste relatório. Com vista à redução dos ciclos tentativa-erro, tem-se adotado ciclos virtuais ou numéricos e tem-se incrementado a interatividade entre as fases de concepção e projeto, num conceito muito próprio, mas cada vez mais abrangente, denominado “produção virtual”. É nesta filosofia que se insere a simulação numérica dos processos de conformação de chapa.

Buckling strength of adhesively-bonded single and double-strap repairs on carbon-epoxy structures

This work reports on an experimental and finite element method (FEM) parametric study of adhesively-bonded single and double-strap repairs on carbon-epoxy structures under buckling unrestrained compression. The influence of the overlap length and patch thickness was evaluated. This loading gains a particular significance from the additional characteristic mechanisms of structures under compression, such as fibres microbuckling, for buckling restrained structures, or global buckling of the assembly, if no transverse restriction exists. The FEM analysis is based on the use of cohesive elements including mixed-mode criteria to simulate a cohesive fracture of the adhesive layer. Trapezoidal laws in pure modes I and II were used to account for the ductility of most structural adhesives. These laws were estimated for the adhesive used from double cantilever beam (DCB) and end-notched flexure (ENF) tests, respectively, using an inverse technique. The pure mode III cohesive law was equalled to the pure mode II one. Compression failure in the laminates was predicted using a stress-based criterion. The accurate FEM predictions open a good prospect for the reduction of the extensive experimentation in the design of carbon-epoxy repairs. Design principles were also established for these repairs under buckling.

Mode III interlaminar fracture of carbon/epoxy laminates using the edge crack torsion (ECT) test

The mode III interlaminar fracture of carbon/epoxy laminates was evaluated with the edge crack torsion (ECT) test. Three-dimensional finite element analyses were performed in order to select two specimen geometries and an experimental data reduction scheme. Test results showed considerable non-linearity before the maximum load point and a significant R-curve effect. These features prevented an accurate definition of the initiation point. Nevertheless, analyses of non-linearity zones showed two likely initiation points corresponding to GIIIc values between 850 and 1100 J/m2 for both specimen geometries. Although any of these values is realistic, the range is too broad, thus showing the limitations of the ECT test and the need for further research.

Optimising the energy consumption on pultrusion process

This study is based on a previous experimental work in which embedded cylindrical heaters were applied to a pultrusion machine die, and resultant energetic performance compared with that achieved with the former heating system based on planar resistances. The previous work allowed to conclude that the use of embedded resistances enhances significantly the energetic performance of pultrusion process, leading to 57% decrease of energy consumption. However, the aforementioned study was developed with basis on an existing pultrusion die, which only allowed a single relative position for the heaters. In the present work, new relative positions for the heaters were investigated in order to optimise heat distribution process and energy consumption. Finite Elements Analysis was applied as an efficient tool to identify the best relative position of the heaters into the die, taking into account the usual parameters involved in the process and the control system already tested in the previous study. The analysis was firstly developed based on eight cylindrical heaters located in four different location plans. In a second phase, in order to refine the results, a new approach was adopted using sixteen heaters with the same total power. Final results allow to conclude that the correct positioning of the heaters can contribute to about 10% of energy consumption reduction, decreasing the production costs and leading to a better eco-efficiency of pultrusion process.

Saving energy in the GFRP pultrusion process

This study addresses to the optimization of pultrusion manufacturing process from the energy-consumption point of view. The die heating system of external platen heaters commonly used in the pultrusion machines is one of the components that contribute the most to the high consumption of energy of pultrusion process. Hence, instead of the conventional multi-planar heaters, a new internal die heating system that leads to minor heat losses is proposed. The effect of the number and relative position of the embedded heaters along the die is also analysed towards the setting up of the optimum arrangement that minimizes both the energy rate and consumption. Simulation and optimization processes were greatly supported by Finite Element Analysis (FEA) and calibrated with basis on the temperature profile computed through thermography imaging techniques. The main outputs of this study allow to conclude that the use of embedded cylindrical resistances instead of external planar heaters leads to drastic reductions of both the power consumption and the warm-up periods of the die heating system. For the analysed die tool and process, savings on energy consumption up to 60% and warm-up period stages less than an half hour were attained with the new internal heating system. The improvements achieved allow reducing the power requirements on pultrusion process, and thus minimize industrial costs and contribute to a more sustainable pultrusion manufacturing industry.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.

How to reduce energy consumption on pultrusion

The global warming due to high CO2 emission in the last years has made energy saving a global problem nowadays. However, manufacturing processes such as pultrusion necessarily needs heat for curing the resin. Then, the only option available is to apply all efforts to make the process even more efficient. Different heating systems have been used on pultrusion, however, the most widely used are the planar resistances. The main objective of this study is to develop another heating system and compares it with the former one. Thermography was used in spite of define the temperature profile along the die. FEA (finite element analysis) allows to understand how many energy is spend with the initial heating system. After this first approach, changes were done on the die in order to test the new heating system and to check possible quality problems on the product. Thus, this work allows to conclude that with the new heating system a significant reduction in the setup time is now possible and an energy reduction of about 57% was achieved.

Análise de Integridade Estrutural de uma Flare Industrial

Para garantir que um equipamento opere com segurança e fiabilidade durante o seu ciclo de vida, desde a sua instalação ao desmantelamento, devem ser realizadas inspeções e/ou monitorizações que, dependendo dos dados recolhidos, podem implicar avaliações Fitness- For-Service (FFS) que definirão a necessidade de reparação ou alteração do equipamento ou das condições processuais. A combinação de inspeção ou monitorização com os melhores procedimentos e técnicas de avaliação atuais fazem sobressair insuficiências dos procedimentos mais antigos. Usando métodos mais avançados de avaliação, validados e suportados através de uma vasta experiência de campo, pode-se agora avaliar defeitos nos ativos (equipamentos) e determinar a adequação ao serviço com uma análise FFS. As análises FFS tornaram-se cada vez mais aceites em toda a indústria ao longo dos últimos anos. A norma API 579 - 1/ASME FFS-1: 2007 fornece diretrizes para avaliar os tipos de danos que afetam os equipamentos processuais e a norma API RP 571: 2011 descreve os mecanismos de degradação que afetam os equipamentos nas petroquímicas e refinarias, que incluem os danos por corrosão, desalinhamentos, deformações plásticas, laminações, fissuras, entre outros. Este trabalho consiste na análise de Integridade Estrutural de uma Flare Industrial que surgiu da necessidade real de análise do equipamento no âmbito da atividade profissional do candidato. O estudo realizado a nível profissional é de grande abrangência, incluindo a inspeção do equipamento, identificação da falha ou dano, recolha e registo de dados, definição de estratégia de atuação e seleção de técnicas de avaliação da condição para posterior alteração, reparação ou desmantelamento. Na presente dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica, Ramo Construções Mecânicas, pretende-se efetuar o estudo aprofundado de uma das etapas de projeto, nomeadamente estudar a causa, avaliar a falha e implicações estruturais ou processuais devido à degradação interior do riser de uma flare, com base numa análise FFS, assumindo a operabilidade em segurança e garantindo resolutas condições de funcionamento. A presente análise FFS tem como finalidade validar ou não a integridade atual (avaliação técnica quantitativa) de modo a conhecer se o item em questão é seguro e confiável para continuar a operar em condições específicas durante um período de tempo determinado, tendo em consideração as condições verificadas no ato de inspeção e especificações de projeto, segundo os itens de verificação de segurança estabelecidos na norma EN 1990:2002/A1:2005/AC:2010 e com base na norma API 579-1/ASME FFS-1: 2007. No âmbito do presente trabalho foram realizadas as seguintes tarefas: - Identificar e analisar os mecanismos de degradação com base na norma API RP 571: 2011, face às condições processuais e geométricas que o equipamento em análise está sujeito de modo a perceber a evolução da degradação estrutural e quais as implicações na sua longevidade. - Avaliar e propor soluções de reparação e ou alterações processuais e ou geométricas do equipamento em análise de modo a permitir a continuidade em funcionamento sem afetar as condições de segurança e por conseguinte minimizar ou evitar o elevado custo económico associado a um novo equipamento e tempo de paragem processual. - Assumir limites estruturais face às condições processuais e ações externas ou adjacentes. - Garantir a segurança e qualidade da vida humana ou meio que o rodeia, do equipamento, das instalações, das infraestruturas envolventes e evitar o colapso económico, quer por motivos processuais, quer indeminizações ou agravamento do prémio do seguro. Verificou-se que os resultados serão a base para as alterações inerentes, tais como reforço estrutural, alteração da geometria do defletor, ajuste no tensionamento dos cabos e controlo da espessura mínima, de modo a alargar o período de vida útil da flare com segurança.