[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出一种集成的DEM-FEM方法，用于模拟药品包装中传送带运输过程中玻璃药管的应力累积与裂纹萌生。通过在DEM中将药管建模为等效球体以捕捉碰撞动力学，并应用FEM计算随时间变化的主应力，研究发现接触区域局部存在高达140 MPa的拉应力峰值，且由于压-拉应力梯度作用，裂纹最可能从内壁处萌生。

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.

研究动机与目标

• 研究玻璃药管在传送带上高密度堆叠与运输过程中的机械失效机理。
• 识别在密集堆叠系统中因动态冲击导致微裂纹萌生与扩展的条件。
• 开发一种计算上可行的DEM-FEM联合仿真框架，用于预测脆性玻璃容器中的应力分布。
• 评估因多次碰撞引起的局部拉应力导致药管突发破裂的风险。
• 为药品初级包装中的工业风险评估提供预测模型。

提出的方法

• 使用Yade软件包的离散元法（DEM）模拟高堆叠密度下代表玻璃药管的等效球形颗粒的动力学行为。
• 每个药管建模为632个微小球体，以在降低计算成本的同时保持几何保真度。
• DEM跟踪随时间变化的碰撞频率、接触力、相对速度及接触位置。
• 有限元法（FEM）将DEM所得的接触力和运动学数据作为输入，计算玻璃壁中的完整应力张量场。
• FEM模型计算随时间变化的最大主应力，特别关注通过玻璃厚度的应力梯度。
• 采用非线性及无拉力弹簧模型，以模拟不同接触行为及其对应力集中效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传送带上的玻璃药管密集堆叠系统中，主导的碰撞动力学与力分布特征是什么？
• RQ2 在动态冲击过程中，玻璃壁中的峰值拉应力在何处及何时出现？
• RQ3 通过玻璃厚度的应力分布如何与裂纹萌生潜力相关联？
• RQ4 接触力的强度与方向在诱发临界应力水平方面起什么作用？
• RQ5 等效球体模型能否准确反映真实圆柱形玻璃药管在冲击载荷下的力学响应？

主要发现

• 在无拉力弹簧条件下，药管1与配对1-3碰撞时，其底部的最大主应力峰值达到140 MPa。
• 在无拉力弹簧条件下，配对1-3的接触区域，药管壁内部的最大主拉应力达94 MPa，表明存在较高的裂纹萌生风险。
• 应力分布显示，冲击区域的应力分布趋势由外表面的压应力向内表面的拉应力转变，有利于从内壁处萌生裂纹。
• 预测裂纹将从内部开始萌生并向外扩展，这一危险模式可能导致突发破裂并造成生产线停机。
• 应力场演化对接触力历史高度敏感，由于高密度堆叠中的混沌动力学，导致显著波动。
• 该模型与工业系统中观测到的实际应力水平具有良好一致性，验证了DEM-FEM集成方法的有效性。