[논문 리뷰] An integrated DEM-FEM approach to study breakage in packing of glass cartridges on a conveyor belt

Daniela P. Boso, Tommaso Braga외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 03.

Granular flow and fluidized beds참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 약품 포장에서 컨veyor 벨트 운반 중 유리 캡슐의 응력 축적과 균열 발생을 시뮬레이션하기 위해 통합된 DEM-FEM 방법을 제시한다. DEM을 사용해 등가 구형으로 모델링된 캡슐을 통해 충돌 역학을 파악하고, FEM을 통해 시간에 따라 변하는 주응력 계산을 수행함으로써 접촉 영역에서 최대 140 MPa의 국소적 인장응력 피크를 확인하였으며, 이는 압축-인장 응력 기울기로 인해 내벽에서 극도로 중요한 균열 발생 가능성이 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 포장 및 컨베이어 벨트 운반 중 유리 캡슐의 기계적 고장 메커니즘을 조사하기 위해.
• 압축성 시스템 내 동적 충격으로 인한 미세균열의 발생 및 확산 조건을 규명하기 위해.
• 유리 용기의 응력 분포를 예측하기 위해 DEM과 FEM을 통합한 계산적으로 타당한 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다중 충격으로 인한 국소적 인장응력으로 인한 갑작스러운 캡슐 파손 위험을 평가하기 위해.
• 약품 제1차 포장 분야의 산업적 위험 평가를 위한 예측 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 고밀도 상태에서 유리 캡슐을 나타내는 등가 구형 입자를 사용한 Yade 패키지를 활용한 이산 요소 방법(DEM)을 통해 운동역학을 시뮬레이션하기 위해.
• 각 캡슐은 기하학적 정확성을 유지하면서도 계산 비용을 절감하기 위해 632개의 작은 구로 모델링된다.
• DEM은 시간에 따라 충돌 빈도, 접촉력, 상대 속도 및 접촉 위치를 추적한다.
• 유한요소 방법(FEM)은 DEM에서 유도된 접촉력과 운동학적 데이터를 입력으로 받아 유리벽 내의 전체 응력 텐서장을 계산한다.
• FEM 모델은 시간에 따른 최대 주응력 계산을 수행하며, 특히 유리 두께를 관통하는 응력 기울기에 중점을 둔다.
• 비선형 및 인장이 없는 스프링 모델을 사용하여 다양한 접촉 거동과 응력 집중에 미치는 영향을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컨베이어 벨트 상의 고밀도 포장 상태에서 유리 캡슐 집합체의 주요 충돌 역학과 力 분포는 무엇인가?
• RQ2 동적 충격 중에 유리벽에서 언제, 어디서 최대 인장응력 피크가 발생하는가?
• RQ3 유리 두께를 관통하는 응력 분포는 균열 발생 가능성과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 접촉력 강도와 방향은 임계 응력 수준을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 등가 구형 모델은 실제 실린더형 유리 캡슐이 충격을 받을 때 기계적 반응을 정확하게 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 무장력 스프링 조건에서 캡슐 1의 하단에서 쌍 1-3와의 충격 시 최대 주응력 피크가 140 MPa에 도달한다.
• 무장력 스프링 조건에서 쌍 1-3의 경우, 내벽의 접촉 영역에서 최대 주인장응력 94 MPa가 발생하여 균열 발생 위험이 매우 높음을 시사한다.
• 응력 분포는 충격 영역에서 외부 표면의 압축에서 내부 표면의 인장으로의 이동 경향을 보이며, 내부에서 균열 핵형이 유리해지는 조건를 조성한다.
• 균열 확산은 내부에서 시작되어 외부로 확장될 것으로 예측되며, 이는 갑작스러운 파손과 생산라인 정지를 유발할 수 있는 위험한 상황이다.
• 응력장의 변화는 접촉력 역사에 매우 민감하며, 고밀도 포장에서의 혼돈적 역학으로 인해 상당한 변동성이 있다.
• 모델은 산업 현장에서 관찰된 실제 응력 수준과 양호한 일치를 보이며, DEM-FEM 통합 접근법의 타당성을 검증한다.