[論文レビュー] An integrated DEM-FEM approach to study breakage in packing of glass cartridges on a conveyor belt

Daniela P. Boso, Tommaso Braga+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2020

Granular flow and fluidized beds参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、医薬品包装におけるコンベアベルト搬送中のガラスカートリッジにおける応力蓄積および亀裂発生をシミュレートする統合DEM-FEM手法を提示する。カートリッジを等価球体としてDEMでモデル化することで衝突ダイナミクスを捉え、FEMを用いて時間変化する主応力の計算を行う。その結果、接触領域で最大140 MPaの局所的引張応力ピークが発生し、圧縮-引張応力勾配のため、内壁からの破壊発生が顕著に予測された。

ABSTRACT

The use of glass for pharmaceutical new applications such as high-technology drugs, requires the strictest container inertness. A common theme of paramount importance in glass container integrity preservation is the detailed mechanism driving the sudden failure due the crack propagation. Using a combination of Discrete Element Method (DEM) and Finite Element Method (FEM), a stress map for glass cartridges packed into an accumulation table and transported by a conveyor belt at a fixed velocity is obtained under realistic conditions. The DEM calculation provides a full description of the dynamics of the cartridges, as approximated by an equivalent sphere, as well as the statistics of the multiple collisions. The FEM calculation exploits this input to provide the maximum principal stress of different pairs as a function of time. Our analysis shows that, during their transportation on the conveyor belt, the cartridges are subject to several shocks of varying intensities. Under these conditions, a crack may originate inside the cartridge in the area of maximal tensile stress, and propagate outward. Estimated stresses are found in good agreement with real systems.

研究の動機と目的

• コンベアベルト上での高密度パッケージングおよび搬送中に発生するガラスカートリッジの機械的破壊機構を調査すること。
• 密なパッケージングシステム内での動的衝撃によって微小亀裂が発生・拡張する条件を特定すること。
• 破壊性の高いガラス容器における応力分布を予測可能な、DEMとFEMを統合した計算的に実行可能なシミュレーションフレームワークを開発すること。
• 複数回の衝突による局所的引張応力が原因でカートリッジが急激に破損するリスクを評価すること。
• 医薬品の一次包装における産業的リスク評価のための予測モデルを提供すること。

提案手法

• Yadeパッケージを用いた離散要素法（DEM）を用いて、高密度パッケージング下でのガラスカートリッジを表す等価球体粒子のダイナミクスをシミュレートする。
• 各カートリッジは、幾何的忠実性を保ちつつ計算コストを低減するため、632個の小さな球体でモデル化される。
• DEMは、時間経過に伴う衝突頻度、接触力、相対速度、接触位置を追跡する。
• 有限要素法（FEM）は、DEMから得られた接触力および運動学的データを入力とし、ガラス壁内の全応力テンソル場を計算する。
• FEMモデルは、時間経過に伴う最大主応力の計算を実施し、ガラス厚さにわたる応力勾配に特に注目する。
• 非線形および引張応力なしスプリングモデルを用いて、異なる接触挙動と応力集中への影響をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンベアベルト上での高密度パッケージング下のガラスカートリッジ系における支配的衝突ダイナミクスおよび力分布は何か？
• RQ2 動的衝撃の過程で、ガラス壁内のどこに、いつ引張応力ピークが発生するか？
• RQ3 ガラス厚さにわたる応力分布は、亀裂発生の可能性とどのように相関するか？
• RQ4 接触力の強度および方向は、臨界応力レベルを誘発する役割を果たすか？
• RQ5 等価球体モデルは、衝撃下での実際の円筒形ガラスカートリッジの機械的応答を正確に再現できるか？

主な発見

• No-tensionスプリング条件下で、カートリッジ1の底面で、ペア1-3との衝突時に最大主応力が140 MPaに達した。
• No-tensionスプリング条件下で、ペア1-3の衝突時、カートリッジ壁内部に94 MPaの最大主引張応力が発生し、亀裂発生リスクが著しく高いことが示された。
• 応力分布は、衝撃領域で外表面では圧縮から内表面では引張に移行する傾向を示し、内部からの亀裂核生成を促進する。
• 亀裂の拡張は内部から始まり外部へと進行すると予測され、急激な破壊および生産ラインの停止を引き起こす危険な状況である。
• 応力場の時間発展は接触力履歴に極めて敏感であり、高密度パッケージングにおけるカオス的ダイナミクスによる顕著なフラクチュエーションを示した。
• 本モデルは、産業現象で観察された実際の応力レベルと良好に一致しており、DEM-FEM統合手法の妥当性が裏付けられた。