Finite element analysis of enamelled steel structures

Abstract

Emaye yapılar pişirici cihazlarda, duvar panellerinde, reaktörlerde ve ısı eşanjörlerindeyoğun olarak kullanılmaktadır. Kimyasal ve fiziksel aşınmaya karşı dirençleri ve hijyenikolmaları emaye ürünlerin bu alanlarda sıklıkla kullanılmalarını sağlamıştır. Emaye çelikler,çelik ve cam katmanlarından oluan kompozit bir yapdr. Bu yapıda, çelik substrat görevigörür ve yüzeyi cam tozu ile kaplanr. Termal proses ile cam tozu eritilir ve sürekli bircam filmi oluturulur. Cam ve çelik katmanlarının termal genleşme katsayıları arasındakifark yapıda bükülme ve çarpılmalara sebep olur. Ürün için belirlenen toleranslarn dışınaçıkmış parçaların yüzdesini azaltmak için ürün geliştirme süreci dahilinde birçok tasarımalternatifi hazırlanır. Tüm tasarım alternatiflerinin fiziksel olarak test edilmesinin pahalıve zaman alıcı olması sebebiyle, emaye yapının üretim prosesi sürecindeki davranışınıtahmin edebilen bir simulasyon metodolojisine ihtiyac¸ bulunmaktadır. Üretim prosesisimulasyonunu gerçekletiren bir metodoloji geliştirmek ic¸in sonlu elemanlar yöntemikullanılmıştır. Viskoelastik ve elastik malzeme modelleri ile analizler yapılmış vesonuçları karşılaştırılmıştır. Analiz metodolojisinin validasyon çalışması Arçelik üretimtesisinde hazırlanmış dikdörtgen emaye çelik plakalar kullanılarak yapılmıştır. Doğrulananmetodoloji, fırın şasi parçasının analizi için kullanılmıştır. Arçelik üretim tesisindeüretilen fırın şasileri koordinat ölçüm cihazı ile boyutsal olarak ölçülmüş, cam filmikalınlıkları elkometre kullanılarak tayin edilmis¸tir. Sonlu elemanlar analizi sonuc¸larboyutsal ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bunlara ek olarak, dinamik mekanik analizcihazı kullanılarak cam numunelerin sıcaklığa bağlı saklama modulü hesaplanmıştır.

Enamelled steel components have been used widely in cooking appliances, architecturalpanels, chemical reactors and heat exchanger parts. Superior chemical and physicalattack resistance and hygiene properties made enamelled steel a preferred material ofchoice for these applications. Enamelled steel is a steel-glass composite where metalacts as a substrate and a thin layer of glass powder is coated on it. By subsequentthermal processing, glass powder melts and forms a continuous layer on steel. Thedifference between the thermal expansion coefficients of steel and glass result in thermaldeflection and warping of the structure. In order to reduce the percentage of out oftolerance products, many design alternatives are prepared through product developmentprocess. Testing every design alternative can be costly and time consuming, therefore,a simulation methodology predicting the behavior of the structure through manufacturingstage is needed. Finite element analysis is used in order to develop a methodologyfor the manufacturing process simulation of enamelled steel products. Viscoelastic andelastic material models are used and the results are compared. The validation of theanalysis methodology is done with rectangular enamelled steel plates manufactured inArcelik production facility. The methodology then applied to oven cavity. The ovencavities manufactured in Arcelik facility were measured dimensionally with Coordinate-Measurement Machine and the coating thicknesses were measured with elcometer. Finiteelement analysis results were compared with Coordinate-Measurement Machine results.Additionally, Dynamic Mechanical Analyzer was used for characterization of glass in orderto obtain its temperature dependent material properties.