Metoda Elementów skończonych PROJEKT. COMSOL Multiphysics 3.4

Transkrypt

1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA MECHANIKA I BUDOWA MASZYN KONSTRUCJA MASZYN I URZĄDZEŃ Rok akademicki 2013/14, sem VII Metoda Elementów skończonych PROJEKT COMSOL Multiphysics 3.4 Autorzy: Gryczka Szymon Nowacki Sławo

2 Spis treści 1. Analiza naprężeń w pokrętle lewarka samochodowego Analiza przepływu ciepła w łyżeczce Badanie nośności w locie nowoczesnych sterowców... 10

3 1. Analiza naprężeń w pokrętle lewarka samochodowego Niniejszy dział poświęcony jest analizie naprężeń występujących w konstrukcji lewarka samochodowego, podczas podnoszenia samochodu osobowego (rys.1). Potrzeba wykonania obliczeń dla tego mechanizmu wynika z powszechności jego stosowania w życiu codziennym, przez mechaników oraz kierowców. Za punkt wyjściowy do wykonania obliczeń przyjęto geometrię przedstawioną na rysunku 2, która w sposób uproszczony przedstawia rzeczywisty kształt lewarka (rys.1). Rys. 1 Lewarek samochodowy [1] Rys. 2 Model obliczeniowy uchwytu lewarka samochodowego: 1 - powierzchnie dla których przemieszczenie w kierunku X, Y, Z wynosi,,0" [opracowanie własne]

4 W dalszej kolejności obliczono maksymalne naprężenia oraz maksymalne przemieszczenia występujące w mechanizmie uwzględniając następujące wytyczne: 1) Materiał: stal 40H, a. E=200 GPa, b. v=0.33, c. =7850, 2) maksymalna siła nacisku na rękojeść F=150N, 3) skala na rysunkach: 1 jednostka = 1cm. Przed wykonaniem obliczeń koniecznie należy zdefiniować zamocowanie oraz miejsce przyłożenia siły zewnętrznej. W tym przypadku zdecydowano się na unieruchomienie dwóch powierzchni należących do łącznika pomiędzy pokrętłem a korpusem lewarka, oznaczono je numerem 1 na rysunku 2. Obciążenie zewnętrzne, które wynosi 150 N zdefiniowano jako ciśnienie o odpowiedniej wartości (około N/m 2 ) przyłożone na powierzchni rękojeści w miejscu oznaczonym jako F na rysunku 2. Po wykonaniu obliczeń otrzymano następujące wyniki: Rys. 3 Wykres naprężeń w pokrętle [opracowanie własne]

5 Z analizy powyższego wykresu wynika, że naprężenia są tym większe im dalej od rękojeści znajduje się analizowany przekrój. Widoczne jest także, że zdecydowanie największe naprężenia występują w pręcie poziomym, co wynika z faktu, że jest on jednocześnie zginany i skręcany oraz znajduje się relatywnie daleko od miejsca przyłożenia obciążenia. Największe odnotowane naprężenia wynoszą 108.4MPa, gdzie wytrzymałość na rozciąganie dla stali 40H wynosi 980MPa, tak więc z całą pewnością nie dojdzie do zniszczenia konstrukcji. W dalszej kolejności przeprowadzono analizę przemieszczeń występujących w pokrętle, otrzymane wyniki przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4 Wykres przemieszczeń [opracowanie własne] Z analizy powyższego wykresu wynika, że tym mniejsze występują przemieszczenia im większa jest odległość od miejsca przyłożenia siły. Największe przemieszczenia odnotowano na rękojeści i wynoszą one mm. odkształcenia rzędu 1 mm są dopuszczalne w tego typu konstrukcji i nie będą negatywnie wpływać na jego prawidłowe funkcjonowanie.

6 2. Analiza przepływu ciepła w łyżeczce W niniejszym rozdziale przedstawiono analizę przepływu ciepła w łyżeczce podczas zanurzenia jej w gorącej cieczy. Z uwagi na powszechność stosowania narzędzia jakim jest łyżeczka w życiu codziennym, chociażby podczas mieszania herbaty czy też kawy w celu przyspieszenia rozpuszczenia się cukru, zdecydowano się przeanalizować w jakim stopniu nagrzeje się uchwyt wcześniej wspomnianej łyżeczki (rys. 5). Rys. 5 Łyżeczka do herbaty [2] Rys. 6 Model uproszczony łyżeczki do herbaty [opracowanie własne]

7 Jako punkt wyjściowy do wykonania dalszych obliczeń przyjęto model CAD'owski reprezentujący rzeczywisty kształt analizowanego przedmiotu (rys.6). W dalszej kolejności obliczono temperaturę jaką osiągnie uchwyt łyżeczki po określonym czasie biorąc pod uwagę następujące wytyczne: 1) materiał: srebro Rys. 7 Parametry materiałowe - srebro [COMSOL] 2) czas nagrzewania: 10s, 3) warunku brzegowe: a. temperatura otoczenia 20 o C dla części niezanurzonej, b. temperatura otoczenia 100 o C dla części zanurzonej, c. temperatura początkowa łyżeczki 20 o C, 4) przewodność cieplna: 10W/(m 2 K). W kolejnym kroku, zaimportowane powierzchnie z modelu CAD'owskiego podzielono na dwie grupy, w celu poprawnego zdefiniowania warunków brzegowych (rys. 8) oraz nałożono na geometrię siatkę trójkątów w celu przeprowadzenia analizy MES'owskiej (rys. 9).

8 Rys. 8 Łyżeczka z podziałem na część gorącą (zanurzoną) i chłodną [opracowanie własne] Rys. 9 Siatka trójkątów naniesiona na model 3D [opracowanie własne]

9 Po wykonaniu obliczeń zgodnie z wcześniej opisanymi warunkami otrzymano następujące wyniki: Rys. 10 Rozkład temperatur w łyżeczce po 10s [opracowanie własne] Z analizy powyższego rysunku wynika, że temperatura części chwytowej po 10 sekundach od chwili zanurzenia łyżeczki w gorącej cieczy będzie wynosić około o C, czyli będzie ciepła, ale z pewnością jeszcze nie poparzy osoby, która ją trzyma w ręku. Z analizy nagrzewania się łyżeczki w czasie do dwóch minut otrzymano, że temperatura nie przekroczy 80 o C, dalsza analiza jest obarczona dużą niepewnością z uwagi na fakt pominięcia wymiany ciepła naczynia i cieczy w nim zawartej z zimnym otoczeniem.

10 3. Badanie nośności w locie nowoczesnych sterowców W ostatnich latach niektóre z firm na rynku niemieckim oraz amerykańskim podjęły się produkcji nowoczesnych sterowców. Wykorzystując nowoczesne materiały oraz osiągnięcia techniki postawiły sobie za cel zbudowanie aerostatu potrafiącego przenosić nie tylko ludzi ale także towary. Biorąc pod uwagę współczesne zapotrzebowanie na przewożenie towarów do miejsc trudnodostępnych miejsc (np. pustynie, tundra, dżungla ), w których nie ma zbudowanej infrastruktury dla wykorzystania samolotów, istnieje możliwość dowozu towarów za pomocą właśnie sterowców. W czerwcu 2010r. Pentagon podpisał umowę z firmą Northrop Grumman na budowę prototypu sterowca hybrydowego LEMV, co świadczy o sporym zainteresowaniem powstającymi na nowa statkami powietrznymi. [3] W tej części projektu postanowiono porównać standartowy model sterowca o kształcie cygara z nowoczesnymi sterowcami budowanymi aktualnie jako prototypy: Rys. 111 Zeppelin będący na wyposażeniu US NAVY za czasów II wojny światowej Rys. 122 LEMV prototyp sterowca wyprodukowany dla United States Army

11 W celu porównania nośności i opływowości obu sterowców przyjęto dla nich jednakowe parametry symulacji: Rys. 133 Ustawienia przestrzeni tunelu aerodynamicznego Rys. 144 Ustawienia prędkości przepływu powietrza w tunelu Następnie wykonano symulację przy wykorzystaniu parametrów: Prędkość wiatru: 1 m/s Gęstość powietrza (przyjęto): 1kg/m3

12 Rys. 155 Rozkład ciśnienie wokół zeppelina podczas lotu Rys. 166 Rozkład ciśnienie wokół LEMV podczas lotu

13 Rys. 177 Rozkład prędkości przepływu w kierunku x dla LEMV podczas lotu Analizując podane wyniki otrzymane za pomocą symulacji widzimy, że w stosunku do zeppelina którego kształt nie powodował powstania siły nośnej podczas lotu. W wynikach dla sterowca LEMV widzimy że rozkład ciśnień oraz przepływu powietrza nie jest jednakowych nad i pod profilem sterowca. Przez co dzięki modelowaniu powłok sterowca na kształt choć trochę przybliżony do kształtu skrzydła możemy uzyskać korzystny dla niego opływ powietrza. W nowoczesnych sterowcach konstruktorzy starają się wykorzystać aerodynamiczny kształt powłoki sterowca, aby zwiększyć jego nośność, a także zmniejszyć opory ruchu. Literatura: [1] [2] [3] Artykuł Renesans zeppelinów z czasopisma Wiedza i Życie styczeń 2014