Projekt z ćwiczeń laboratoryjnych MES, wykonany w programie COMSOL Multiphysics

Transkrypt

1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA INSTYTUT MECHANIKI STOSOWANEJ Projekt z ćwiczeń laboratoryjnych MES, wykonany w programie COMSOL Multiphysics Autor: Ksawery Wilczek Łukasz Wagner Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Profil dyplomowania: KMU/IRW Studia stacjonarne I stopnia, semestr 7/5 Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk Poznań, 2014

2 1. Analiza odkształceń blachy korpusu prasy wysięgowej Wybrany temat jest związany z konstruowaną w ramach pracy inżynierskiej dwustronną poziomą prasą hydrauliczną. Korpus prasy jest zaprojektowany jako konstrukcja spawana z odpowiednio wypalonych blach. Całość tworzy kształt prasy typu wysięgowego, obróconej z pionowej pozycji do poziomej. Zdjęcie poniżej przedstawia koncepcję konstrukcji korpusu zamodelowanego w programie Autodesk INVENTOR Professional Zasadniczo zamodelowany korpus składa się z płyty przedniej i tylnej (blach wypalonych w kształt litery C), "skrzynek" łączących obie płyty w których osadzone mają być cylindry robocze (widoczne otwory pod cylindry). Konstrukcja posiada dwie osie symetrii, jedna przebiega wzdłuż osi cylindrów, druga jest prostopadła do tej osi. Na przedstawionym zdjęciu brakuje z prawej strony płyty górnej wchodzącej w skład skrzynki, dzięki temu jest uwidocznione jej wnętrze. Prasa z założenia musi mieć nacisk 50 ton z jednej strony, i przebieg obróbki plastycznej ma być symetryczny. Dlatego siły działające między cylindrami będą się sumować i łączna siła "rozpierająca" korpus wynosić będzie 100 ton czyli w przybliżeniu 1000 kn. Ze względu na symetryczną budowę, siłę działającą na jedną płytę przyjmuję równą połowie wartości całkowitej siły czyli 500 kn. Z programu Inventor eksportowałem model płyty do formatu STEP i następnie wczytałem plik w programie COMSOL. Pierwszym krokiem było określenie materiału. Ponieważ nie znalazłem stali w gatunku S355, zdecydowałem się wybrać podstawową stal nazwaną "Structural steel"

3 Następnie program wygenerował siatkę składającą się z elementów. Kolejnym krokiem było określenie warunków brzegowych. Zakładam, że siła działa na powierzchnie czołowe płyty. Wstępną grubość płyty przyjęto 14 mm a długość tego czoła mm. Ponieważ COMSOL wymaga podania obciążenia jako ciągłe, należy podzielić siłę 250 kn przez pole powierzchni czoła: 0,014x0,300 [m]. W rezultacie otrzymujemy: ,52 [N/m 2 ] ~ [N/m 2 ] i wpisujemy tą wartość jako obciążenie na jednej ścianie jako wartość ujemna, na drugiej dodatnia.

4 Na pozostałych ścianach bryły zakładam brak przesunięcia w osi Z

5 W rezultacie po określeniu szczegółów wyświetlania w zakładce "Plot Parameters..." otrzymujemy: Naprężenia: Przemieszczenia: Wnioski: Maksymalne naprężenie pojawiające się w symulacji jest mniejsze niż granica plastyczności dla stali S355, jednak ze względu na przemieszczenia maksymalne wynoszące prawie 2,5 mm należałoby pomyśleć nad zwiększeniem grubości płyty, lub zastosowaniem dodatkowych wzmocnień w konstrukcji. Przemieszczenie to może wydawać się niewielkie, ale będzie miało znaczący wpływ na brak współosiowości obu cylindrów. Innym aspektem jest fakt, że najlepsze wyniki otrzymamy poddając analizie całą konstrukcję a nie jedynie jej element składowy. Przedstawiona analiza jest obarczona błędem, ponieważ założyłem że obciążenie działa na powierzchnię czołową o długości 300 mm, czyli siła skupiona działa na tą powierzchnie 150 mm od górnej powierzchni płyty. Natomiast oś cylindrów jest położona 195 mm od tej górnej powierzchni. Dlatego należałoby zaznaczyć punkt w tej odległości i tam przyłożyć obciążenie.

6 Na potrzeby pracy inżynierskiej przeprowadzono również analizę całego korpusu, efekt widoczny na zdjęciach poniżej: Problemy jakie napotkano podczas wczytywania bardziej złożonego modelu do programu COMSOL, przyczyniły się do zmiany środowiska analizy MES. Zdjęcie poniżej przedstawia widok korpusu po wstępnej optymalizacji, w programie INVENTOR Autodesk:

7 2. Porównanie przepływu materii w zaworze z zasuwą kulową a stożkową. Ogólnie rzecz ujmując zawór jest to urządzenie do zamykania otworów, wylotów czy do regulowania przepływu cieczy lub gazów. Zawory szybkiego zamknięcia znalazły szerokiego typu zastosowanie w hydraulice oraz pneumatyce, które odpowiadają za pracę z paliwami, gazami czy też sprężonym powietrzem dla maksymalnego ciśnienia 16 bar. Czysto teoretycznie analizowaliśmy obydwa rozwiązania, nie dbając o detale modelu takie, jak wymiary, kształty, materiał czy ogólna optymalizacja konstrukcji. Analiza zaworu ma przedstawić przepływ oleju po otwarciu zasuwy pod zadanym ciśnieniem. Modele zostały wykonane w programie Inventor, a zapisane przekroje w formacie.dxf, zostały wczytane w module 2d do programu Comsol. Po wczytaniu przekroi trochę zabawy z opcjami Split Objects i Coerce to Curve/Solid, zdefiniowaniu parametrów i krawędzi, przeszliśmy do analizy zaworów: a) zawór zasuwowy szybkiego zamknięcia z zasuwą kulową b) zawór zasuwowy szybkiego zamknięcia z zasuwą stożkową

8 Nadanie odpowiednich parametrów i dokładne zdefiniowanie odpowiedzialnych krawędzi w modelu pozwala nam na wygenerowanie siatki, a następnie do przeprowadzenia analizy przepływu oleju w oby zaworach. Wygenerowane siatki...

9 Zestawienie otrzymanych wyników z prędkościami wypływu oraz ciśnieniem.. Wykorzystanie symulacji nasuwa nam bardzo wiele wniosków a zarazem pytań przy interpretacji prędkości oraz ciśnienia. Biorąc pod uwagę prędkość, stożkowa zasuwa charakteryzuje się bardzo dobrym rozkładem prędkości po ominięciu zasuwy, a ciśnienie rozkłada się równomiernie na dużej powierzchni. Natomiast w zasuwie kulowej prędkość i ciśnienie zachowują się zupełnie inaczej, prędkość maksymalna znajduje w punkcie styku "zasuwy z bramą", a ciśnienie wywiera duży nacisk na "czoło" zasuwy i gwałtownie spada zaraz po styku z powierzchnią. Brane pod uwagę parametry i wyniki otrzymane po przeprowadzeniu analizy przepływu oleju widocznie obrazują nam zachowanie danej cieczy(gazu) w trakcie omijania zasuw.

10 3. Porównanie przewodności cieplnej ściany budynku przed i po ociepleniu wełną mineralną W tym zagadnieniu analizowano dwa modele ściany, przedstawionej w uproszczeniu. Pierwszy model symbolizuje przekrój ściany grubości 22 centymetrów, wysokość przekroju 1 metr. Ściana wykonana jest z cegieł połączonej warstwą cementu. Na potrzeby analizy uproszczono zagadnienie uznając ścianę wykonaną z jednolitego materiału. Pominięto wykończenia ścian w postaci tynków, farb, klejów itp. Z biblioteki COMSOL'a wczytano materiał brick (cegła; przewodność cieplna 400W/m K). Przyjęto temperaturę wewnątrz budynku 20 C co w przeliczeniu daje 293K, a po zewnętrznej stronie ściany (budynku) -5 C (268K). Otrzymana różnica temperatur wynosi 25 C (25K). Wełna w postaci płyt o grubości 10 centymetrów Po podjęciu odpowiednich kroków przechodzimy do generowania siatki, a następnie do analizy przewodnictwa cieplnego.

11 Porównanie wyników ściany bez izolacji oraz ściany z wełną mineralną. Widoczne wyniki przedstawiają, iż izolator spełnia swoją funkcję, a otrzymane wyniki można interpretować dwukierunkowo, zarówno przy ocieplaniu budynku jak i przy jego schładzaniu. Idealnym dodatkowym parametrem do interpretacji wyników byłby czas w jakim następuje wymiana ciepła. Przewodność cieplna odgrywa dużą rolę w budownictwie, a wełna posiada niski współczynnik przewodności, dlatego znajduje szerokie zastosowanie w celu utrzymania temperatury, a zdolność pochłaniania dźwięków jest jej atutem, którego nie posiada styropian. Literatura: