Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Mechanika i Budowa Maszyn Projekt: Metoda elementów skończonych Prowadzący: dr hab. Tomasz STRĘK prof. nadzw. Autorzy: Rafał Jancy Mikołaj Malicki Adrian Dąbrowicz

2 Spis treści Przepływ ciepłą przez aluminiowy kubek... 3 Badany element... 3 Nadanie materiału... 3 Warunki brzegowe... 4 Parametry badania... 5 Siatka elementów skończonych Otrzymane wyniki:... 6 Porównanie ugięć płaskownika, teownika i ceownika Modele 3D... 7 Badanie:... 8 Wybranie odpowiedniego badania Importowanie modelu z Inventora do Comsola... 8 Podział na elementy skończone Wyniki badań: Płaskownik: Teownik: Ceownik: Analiza wyników i wnioski: Przepływ wody przez kolanko: Badany element Rodzaj badania: Przeprowadzone badanie Model siatki: Wyniki i wnioski: Analiza opływu lokomotywy: Badany element Rodzaj badania: Przeprowadzone badanie Model siatki: Wyniki i wnioski:... 20

3 Przepływ ciepłą przez aluminiowy kubek Badany element. Badanym elementem jest aluminiowy kubek, model został wykonany w programie Inventor i przeniesiony został do programu Comsol. Badanie pokazuje w jaki sposób nagrzewa się kubek aluminiowy w przypadku przepływu ciepła od spodu. Rysunek 1 Badany element Nadanie materiału W pierwszej kolejności określamy materiał kubka, by dobrze pokazać przepływ ciepła przyjmujemy, że jest to aluminium.

4 Rysunek 2 Przyjęty materiał Warunki brzegowe Po przyjęciu i zatwierdzeniu materiału przyjmujemy warunki brzegowe. W badaniu zakładamy ze powierzchnia kubka nagrzewa się od spodu do temperatury 400K (około 130*) a cały element umiejscowiony jest w powietrzu w temperaturze pokojowej 293K. Rysunek 3 Warunki na spodzie kubka Rysunek 4 Pozostałe elementy kubka

5 Parametry badania Dodatkowo w celu lepszego ukazania przepływu ciepła przez element zmieniliśmy czas trwania badania na znacznie większy niż był początkowo ustawiony. Siatka elementów skończonych. Rysunek 5 Zwiększenie czasu przepływu ciepła Rysunek 6 Siatka elementów skończonych Badany przedmiot podzieliliśmy na elementów. Większa liczba elementów była by nie potrzebna ze względu na to, iż wyniki nie będą dużo bardziej dokładne a czas symulacji byłby znacznie dłuższy.

6 Otrzymane wyniki: Rysunek 7 Przepływ ciepła przez kubek Jak widać na rysunku 7 kubek jest bardzo gorący w miejscu gdzie styka on się z powierzchnią grzewczą, następnie temperatura ta spada wraz z oddalaniem się od spodu kubka. Można także zaobserwować, że badany element w miejscu uchwytu prawię w ogóle sie nie nagrzał. Tego typu badania mogę posłużyć w badaniu przepływu ciepła przez różne materiały. Dzięki analizie ciepła instytutów może w łatwy sposób usprawnić swoje wyroby a także wiedzieć kiedy dany element może zostać uszkodzony i nie zdatny do dalszej eksploatacji.

7 Porównanie ugięć płaskownika, teownika i ceownika. Modele 3D Przeprowadzone badanie ma na celu pokazanie w jaki sposób ugną się belki o różnych przekrojach gdy bedą wykonane z tego samego materiału i gdy będzie na nie działała ta sama siła. W programie Inventor 2015 wykonaliśmy modele 3 belek. Rysunki od 1 do 3 przedstawiają modele 3D wykonane w Inventorze. Rysunek 8 Model płaskownika Rysunek 9 Model Teownika Rysunek 10 Model ceownika

8 Wszystkie modele zostały wykonane zgodnie z normami w ten sposób ze działająca siła będzie w każdym przypadku działała na tą samą powierzchnie (40mmx1000mm). Badanie: Badanie zostało wykonane dla 3 elementów w jednakowy sposób dlatego przedstawimy tu tylko jeden badany element. Wybranie odpowiedniego badania. Rysunek 11 Wybór badania Importowanie modelu z Inventora do Comsola Rysunek 12 Wczytanie modelu

9 Rysunek 13 Określenie materiału belki Materiał belek określiliśmy jako stal węglowa, każdy z przypadków jest badany dla tego samego materiału Rysunek 14 Warunki brzegowe Każda balka została przytwierdzona nieruchomo z jednej strony a następnie obciążona naciskiem 2000[N/m^2] siła została skierowana w sposób w jaki działają siły w normalnym użytkowaniu belek. Rysunek 15 Obciążenie

10 Podział na elementy skończone Po zadaniu belce odpowiednich właściwości, obciążeń i utwierdzeń, badane materiały zostały podzielone na odpowiednią liczbę elementów skończonych. W naszym przypadku jest to 7055 elementów. Mniejsza liczba elementów wpływa na wynik, jednak większa liczba elementów sprawia ze czas na otrzymanie wyników znacznie się wydłuża. Wyniki badań: Płaskownik: Rysunek 16 wygenerowana siatka Rysunek 17 Ugięcie płaskownika

11 Teownik: Rysunek 18 Ugięcie teownika Ceownik: Rysunek 19 Ugięcie Ceownika Analiza wyników i wnioski: Jak widać na załączonych rysunkach ugięcie każdej z belek różni się od siebie najbardziej ugiął się płaskownik najmniej zań teownik. Różnica ugięć w przypadku tych 2 elementów jest aż 1000razy większa co za tym idzie łatwo można odpowiedzieć sobie na pytanie który element jest bardziej wytrzymały. Metoda MES w tym przypadku pokazała nam jak w łatwy sposób można badać zachowanie się różnego rodzaju konstrukcji. Dzięki szybkiemu badaniu wiemy jaki element można zastosować w danym momencie i jak on się zachowa w trakcie pracy.

12 Przepływ wody przez kolanko: Badany element Badanym elementem jest kolanko w którym przepływa woda. Badanie ma na celu sprawdzenia w jaki sposób przepływa woda w kolanku oraz jak zachowuje się ta sama ciecz w przypadku gdy kolanko jest zapchane. na rysunku 1 przedstawiono podglądowo badany element. Rysunek 20 Badany element Rodzaj badania: Rysunek 21 Wybrana opcja badania W tym badaniu wybraliśmy przepływ cieczy przez model 2D. badany model został wykonany jako linie w programie Comsol.

13 Przeprowadzone badanie Rysunek 22 kolanko Przedstawiony wyżej model został wykonany jako model poglądowy po jego narysowaniu ustawiliśmy warunki brzegowe (rysunek 4) w ten sposób ze z jednej strony ciecz wpływa a z 2 wypływa, wszystkie inne krawędzie to ściany w których ciecz porusza się bez poślizgu. Rysunek 23 Wejście Rysunek 24 Ściany

14 Rysunek 25 Więcej ścian Model siatki: Rysunek 26 Wygenerowana siatka Siatka składa się z 766 elementów z powodu ze jest to model 2D jest ich znacznie mniej niz w przypadku modeli 3D.

15 Wyniki i wnioski: Rysunek 27 Przepływ przez kolanko w warunkach normalnych Rysunek 28 Przepływ przez zapchane kolanko Jak widać na powyższych rysunkach przepływ przez zapchane kolanko wprawia, iż ciecz w tym miejscu płynie znacznie szybciej i posiada większe ciśnienie, tego typu zjawisko wykorzystuje się w że zwężkach Ventruriego. Badania tego typu mogę pomóc w odnalezieniu optymalnych średnic w rurkach, dzięki temu zakłady produkujące różnego rodzaju armatki wodne mogę produkować coraz to bardziej wydajne produkty.

16 Analiza opływu lokomotywy: Badany element Badanym elementem jest lokomotywa DE500, która przeznaczona jest do ciężkiego tranportu oraz na usługi pociągów towarowych. Rysunek 29 Zdjęcie badanego elementu Rysunek 2 Dokładny model CAD badanego elementu

17 Rysunek 3 Uproszczony model zastosowany w analizie Rodzaj badania: Rysunek 4 Wybrana opcja badania

18 Badanie to zostało przeprowadzone z użyciem modułu Fluid Dynamics Incompressible Navier Stokes (Steady State analysis). Użyty został model 2D zaimportowany ze środowiska AutoCAD. Przeprowadzone badanie Rysunek 5 Lokomotywa w tunelu Przedstawiony wyżej model jest modelem podglądowym. Następnym krokiem było zdefiniowanie warunków początkowych (rysunek 6) oraz warunków brzegowych (rysunek 7). Lewa ściana tunelu jest wlotem powietrza o prędkości 28 m/s co odpowiada prędkości maksymalnej lokomotywy ok. 100 km/h. Natomiast prawa ściana jest wylotem powietrza. Pozostałe ściany zostały zdefiniowane jako wall.

19 Rysunek 6 Warunki początkowe (Subdomain Settings) Rysunek 7 Warunki brzegowe (Linia niebieska-wlot powietrza; Linia zielona-wylot powietrza; Linie czerowne- Wall[No split] ) Model siatki: Rysunek 8 Wygenerowana siatka Siatka składa się z elementów. Liczba elementów jest taka duża ze względu na zagęszczenie siatki przy skomplikowanych częściach modelu.

20 Wyniki i wnioski: Rysunek 9 Wartości prędkości opływu powietrza. Rysunek 10 Wartości ciśnienia powietrza wokół samochodu. Uzyskane wartości opływu powietrza przy siatce złożonej z elementów mogą nie być bardzo dokładne, wnioskować to można po braku jednolitości kolorów. Obliczenia przy bardziej zagęszczonej siatce nie były jednak możliwe z powodu ograniczonych mocy obliczeniowych komputera. Na rysunku 10 widać, że największe ciśnienie wystąpiło pod zderzakiem lokomotywy. Rysunek 9 pokazuje natomiast, że największa prędkość została osiągnięta tuż nad kabiną maszynisty. Zilustrowane linie opływu wykazują zawirowania powietrza pod zderzakiem jednak nie występują zawirowania powietrza bezpośrednio za lokomotywą. Duże wartości prędkości przepływu powietrza związane są z oporem jaki stawia ten pociąg. Zwiększenie aerodynamiczności tego modelu pozwoliłoby na zaoszczędzenie energii potrzebnej do jego napędzenia.