PROJEKT MES COMSOL MULTIPHYSICS 3.4

Transkrypt

1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA PROJEKT MES COMSOL MULTIPHYSICS 3.4 Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk, prof. nadz. Wykonali: Dawid Weremiuk Dawid Prusiewicz Kierunek: Mechanika i budowa maszyn Semestr: piąty Rok: 2014/2015 Grupa: M3

2 Spis treści: 1. Analiza przepływu powietrza wokół 5 wybranych elementów (piłki do tenisa stołowego, lotki do badmintona, piłki do rugby, dysku oraz oszczepu lekkoatletycznego Analiza odkształceń pod wpływem obciążenia belki wspornikowej oraz belki wspornikowej z otworami Analiza wymiany ciepła w łyżce odlewniczej Załączniki 1

3 1. Mechanika płynów analiza przepływu powietrza wokół 5 wybranych elementów Przedmiotem badań jest: piłka do tenisa stołowego lotka do badmintona piłka do rugby dysk lekkoatletyczny oszczep lekkoatletyczny Wszystkie przedmioty zostaną poddane analizie w takich samych warunkach. W programie przedmioty są nieruchome natomiast wartość prędkości powietrza wynosi 30m/s. Warunki te symulują nam rzeczywistą sytuację opływ powietrza badanego elementu poruszającego się z prędkością 30m/s. Gęstość powietrza 1.293kg/m^3 oraz lepkość Pa*s Analiza modelu W celu dokonania analizy posłużyliśmy się modułem Fluid Dynamics Incompressible Navier Stokes (Steady State analysis). Analiza została wykonana na podstawię modeli 2D 2

4 Model piłeczki wykonaliśmy w COMSOLu 1.1 Piłeczka do tenisa stołowego Następnie zdefiniowaliśmy warunki początkowe Subdomain settings 3

5 Kolejnym krokiem było zdefiniowanie warunków brzegowych Boundary settings Następnie wygenerowaliśmy siatkę Mesh 4

6 Po tych zabiegach rozpoczęliśmy proces rozwiązywania zagadnienia Solve problem Z powodu braku płynnego przejścia barw, ciekawości oraz uzyskania jak najbardziej zbliżonego do rzeczywistości wyniku postanowiliśmy znacznie zagęścić siatkę. W początkowej fazie uzyskaliśmy 746 elementów, postanowiliśmy zwiększyć ich ilość do Otrzymana siatka wygląda następująco: 5

7 Po tej operacji ponownie rozwiązaliśmy zagadnienie. W porównaniu do pierwszego wyniku, ten jest na pewno znacznie bardziej dokładny, co widać po barwach oraz po otrzymanej wartości prędkości różnica wynosi około 2m/s. Chcąc uzyskać dokładne wyniki, w dalszej części projektu zawsze zagęszczamy siatkę kilkukrotnie. 1.2 Lotka do badmintona Model wykonany w COMSOLu 6

8 Zdefiniowanie warunków początkowych Zdefiniowanie warunków brzegowych 7

9 Wygenerowanie siatki Rozwiązanie zagadnienia 8

10 1.3 Piłka do rugby Model wykonany w COMSOLu Zdefiniowanie warunków początkowych 9

11 Zdefiniowanie warunków brzegowych Wygenerowanie siatki 10

12 Rozwiązanie zagadnienia 1.4 Dysk lekkoatletyczny Model wykonany w COMSOLu 11

13 Zdefiniowanie warunków początkowych Zdefiniowanie warunków brzegowych 12

14 Wygenerowanie siatki Rozwiązanie zagadnienia 13

15 1.5 Oszczep lekkoatletyczny Model w COMSOLu Zdefiniowanie warunków początkowych 14

16 Zdefiniowanie warunków brzegowych Wygenerowanie siatki 15

17 Rozwiązanie zagadnienia Kształt opływu powietrza badanych elementów pokazuje nam ich aerodynamiczność. Po przeprowadzeniu analizy i porównaniu graficznych wyników można z całą pewnością stwierdzić, że najbardziej aerodynamiczny jest oszczep lekkoatletyczny gdyż kształt opływanego powietrza jest najbardziej łagodny, nie ma żadnego załamania, nie powstają żadne wiry. Najbardziej złożony kształt opływanego powietrza ma lecący dysk lekkoatletyczny. Dzięki takim analizom dokładnie widać jak dany element jest opływany, co pozwala nam na tworzenie nowego sprzętu lub doskonalenie istniejącego zapewniając wyższą aerodynamiczność. 16

18 2.Analiza odkształceń pod wpływem obciążenia belki wspornikowej oraz belki wspornikowej z otworami Moduł wybrany do analizy odkształceń Analizę rozpoczęliśmy od zamodelowania belki w 3D. Model został zaprojektowany w programie Inventor oraz przeniesiony do COMSOL u 17

19 Kolejnym krokiem było zadanie warunków początkowych Subdomain settings Podaliśmy podstawowe właściwości materiału belki (moduł Younga, gęstość, współczynnik rozszerzalności cieplnej) Następnie wprowadzenie warunków brzegowych Boundary settings Zaznaczoną płaszczyznę obciążyliśmy siłą Fy=1000 N/m 2 18

20 Przeciwległa płaszczyzna została sztywno utwierdzona Po wprowadzeniu powyższych danych wygenerowaliśmy siatkę Initialize Mesh, siatkę zagęściliśmy do elementów Refine Mesh 19

21 Ostatnim krokiem jest rozwiązanie zagadnienia Solve problem Naprężenia powstałe w belce przyjmują wartości od 130 Pa w najmniej obciążonym miejscu (kolor niebieski) aż do 15,5 kpa (kolor czerwony). Dla porównania postanowiliśmy znacznie zmniejszyć masę belki poprzez wykonanie w niej 5 otworów Po zadaniu identycznych warunków początkowych oraz brzegowych jak w belce powyżej przystąpiliśmy do wygenerowania siatki (39396 elementów) 20

22 Po czym rozwiązaliśmy zagadnienie Naprężenia maksymalne w obu belkach są niemal takie same mieszczą się w granicy 15 15,5 kpa. Natomiast uwagę przykuwa fakt, iż minimalne naprężenia w belce bez otworów wynoszą około 130 Pa natomiast w belce z otworami tylko 25 Pa, czyli są ponad 5x mniejsze! 21

23 3.Analiza wymiany ciepła w łyżce odlewniczej Wybrany moduł do analizy ciepła Cały proces rozpoczęliśmy od zamodelowania łyżki w 3D dzięki oprogramowaniu Autodesk Inventor. Plik eksportowaliśmy do formatu.iges, a następnie zaimportowaliśmy go do programu COMSOL Multiphysics. Zdefiniowaliśmy warunki brzegowe (temperatura łyżki odlewniczej została zanurzona w gorącym metalu (o temp 973K=700 C). Natomiast temperatura rączki została zdefiniowana na 20 C. 22

24 23

25 Ostatnim warunkiem początkowym było ustawienie materiału z którego została wykonana łyżka olewnicza, wybraliśmy typową stal z bazy dostępnej w programie COMSOL Następnie wykonaliśmy siatkę elementów niestety z racji ograniczenia sprzetowego udało nam się dokonać obliczeń tylko dla 2589 trójkątów.gdyż dla wiekszej ilośći nasz komputer okazał się niewystarczający. 24

26 Zdefiniowaliśmy parametry rozwiązania w 2 przedziałach czasowych a) 30s co 0,5s 25

27 b) 10s co 0,1s W obu przypadkach otrzymaliśmy podobne wyniki graficznego rozkładu ciepła, jednak po 10 sekundach temperatura rączki to koło 27 stopni natomiast po 30 sekundach jest to już 127 stopni Warto zatem ubierać rękawice ochronne jeżeli mamy zamiar trzymać łyżke odlewnicza powyżej 10 sekund. 4. Załączniki W załączeniu na płycie CD znajdują się programy napisane w Comsol Multiphysics 3.4 oraz analizowane zagadnienia wykonane w AutoCAD zie i Inventorze. 26