Metoda Elementów Skończonych. Projekt: COMSOL Multiphysics 3.4.

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Metoda Elementów Skończonych Projekt: COMSOL Multiphysics 3.4. Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk Wykonali: Widerowski Karol Wysocki Jacek Wydział: Budowa Maszyn i Zarządzania Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Rok akademicki: 2011/2012 Semestr: siódmy Specjalizacja: KMiU COMSOL Multiphysics 3.4 1

2 Spis treści: 1. Przepływ ciepła Opis model Przeprowadzone badanie Odkształcenia pod wpływem obciążenia Opis modelu Przeprowadzone badanie Przepływ cieczy przez element Opis modelu Przeprowadzone badanie Wnioski 20 COMSOL Multiphysics 3.4 2

3 1. Przepływ ciepła 1.1. Opis modelu: Modelem analizy pierwszej części projektu, jest tylna szyba z funkcją podgrzewania samochodu osobowego o wymiarach 820 x 1280 (w najszerszym punkcie) [mm], przedstawiona poniżej na rysunku nr. 1. W tym punkcie badać będziemy przepływ ciepła przez ten element. Przewdonictwo cieplne opiera się na prawie Furiera i na prawie zachowania energi. Gdy temperatura w danym ciele stałym nie jest równa w różnych obszarach, to energia cieplna jest wewnętrznie transportowana tak długo, aż nie nastąpi wyrównanie temperatury w całym obszarze. Szybkość przewodzenia cieplnego zależy przedwszystkim od materiału z jakiego jest utworzone ciało badane. Do wykonania analizy program COMSOL używa następującego równania: n (k T) = q + h T T + Const(T T ) gdzie: q 0 Inward heat flux (wewnętrzny struień ciepła) h Heat transfer coefficient (wsp. przenikania ciepła) T inf External temperature (ekstremum temperatury) Const Problem-dependent constant (stała zależna) T amb Ambient temperature (temperatura otoczenia) COMSOL Multiphysics 3.4 3

4 Rysunek 1 Widok na badany element - szyba samochodowa 1.2. Przeprowadzone badanie Element powstał w programie CATIA V5. Pierwszym krokiem, jaki wykonaliśmy aby przeprowadzić badanie było zaimportowanie rysunku 3D szyby do programu COMSOL MULTIPHYSICS. W systemie COMSOL nadaliśmy modelowi odpowiednie właściwości materiałowe według poniższej listy: Zadane parametry analizy: Materiał (wybrany z bazy materiałowej programu COMSOL): Glasses, Metallic glasses (Szkło) Gatunek: Soda lime silica (NBS SRM 710) Współczynnik przewodności ciepła : k = 400 W/(m*K) Gęstość: ρ= 2500 kg/m 3 Temperatura początkowa: 293K Temperatura otoczenia: 273K Temperatura grzanego urządzenia: 573K Ilość elementów w siatce: elementów skończonych. COMSOL Multiphysics 3.4 4

5 Następnie utworzyliśmy siatkę badanego elementu: Rysunek 2 Siatka (mesh) W kolejnym etapie, w zakładce Boundary Settings, nadaliśmy warunki brzegowe. W tłoku nagrzany olej o temperaturze 373 stopni Kelvina współpracuje z czołem tłoka. Dodatkowo źródłem ciepła jest tarcie zewnętrzną częścią tłoka a wewnętrzna częścią cylindra. Następnie nagrzany cały układ oddaje ciepło do otoczenia. Początkowa temperatura tłoka to 293K. A przepływające w tym układzie medium (olej) ma temperaturę 373K. Ciepło wywołane tarciem to 350 K. COMSOL Multiphysics 3.4 5

6 Rysunek 3 Warunki brzegowe na bokach szyby. Rysunek 4 Warunek brzegowy na dolnej krawędzi szyby. COMSOL Multiphysics 3.4 6

7 Rysunek 5 Warunki brzegowe na pozostałych powierzchniach. W końcowym etapie należy jeszcze ustalić zależność czasową. Po tej czynności, program CAMSOL generuje nam widok rozkładu temperatury dla danego czasu. Rysunek 6 Zależności czasowe. COMSOL Multiphysics 3.4 7

8 Rysunek 7 Rozkład temperatury COMSOL Multiphysics 3.4 8

9 2. Odkształcenie pod wpływem obciążenia 2.1. Opis modelu Przedmiotem badań w drugiej części projektu jest drabina, która została oparta o ścianę budynku a następnie obciążona siłą 1000 niutonów w odpowiednim kierunku. Badanie polegać będzie na wyznaczeniu największego odkształcenia oraz na obserwacji zachowania się całej konstrukcji. Do wykonania analizy program COMSOL używa następującego równania: Rysunek 2 Badana drabina. COMSOL Multiphysics 3.4 9

10 Zadane parametry analizy: Ilość elementów w siatce: elementów skończonych. Zadane obciążenie = 100 kg 2.2. Przeprowadzone badanie Po zaimportowaniu modelu z programu CATIA, zadaliśmy odpowiednie parametry, określiliśmy miejsca podpór i miejsce przyłożenia siły. Odbywa to się w zakładce Boundary Settings. Rysunek 3 Definiowanie podpory miejsce styku drabiny z podłożem COMSOL Multiphysics

11 Rysunek 10 Definiowanie podpory miejsce styku drabinyze ścianą. Rysunek 41. Definiowanie miejsca przyłożenia siły. COMSOL Multiphysics

12 Po tej czynności należy utworzyć siatkę elementu a następnie można analizować już otrzymane wyniki. Rysunek 52 Utworzona siatka. COMSOL Multiphysics

13 Rysunek 63 Parametry czasowe. Poniżej przedstawiony jest wynik badania. Zgodnie z naszymi przypuszczeniami, największe ugięcie wystąpiło na wysokości oraz nieco poniżej stopnia, na które działało obciążenie. COMSOL Multiphysics

14 Rysunek 74 Zdeformowany element. COMSOL Multiphysics

15 3. Przepływ cieczy przez element Opis modelu Przedmiotem badań w tym punkcie jest część (rura) o dowolnym kształcie. Badać będziemy strumień przepływu cieczy oraz zbadamy jak rozkłada się jej prędkość podczas przepływu Przeprowadzone badanie Aby przeprowadzić badanie, musieliśmy za pomocą rysownika programu COMSOL, narysować przybliżony kształt przedmiotu i określić obszar, w którym będzie odbywał się przepływ cieczy, czyli określić warunki początkowe. Rysunek 15 Kształt częsci w programie COMSOL. COMSOL Multiphysics

16 Rysunek 16 Ustalenie warunków początkowych Ustaliliśmy, że ciecz wpływa od góry a wypływa otworem umieszczonym po prawej stronie. Przy wlocie ustawiliśmy prędkość wody na 20m/s, a przy wylocie ciśnienie równe Pa. Rysunek 17 Ustalenie wlotu. COMSOL Multiphysics

17 Rysunek 88 Ustalenie wylotu. Następnie należy wygenerować siatkę trójkątna analizowanego zakresu: Rysunek 9 Siatka badanego zakresu. COMSOL Multiphysics

18 W zakładce Solver Parametrs należy ustawić odpowiednie ramy czasowe: Rysunek 10 Ustawianie ram czasowych. Po ustawieniu tych wszystkich parametrów można przejść do analizowania wyników. Na pierwszym rysunku widzimy rozkład ciśnień podczas przepływu. Zauważyć można trzy obszary, w których ciśnienie jest największe i oznaczone jest na rysunku kolorem czerwonym. COMSOL Multiphysics

19 Rysunek 11 Zmiana ciśnienia podczas przepływy. Na kolejnym rysunku widzimy, w jaki sposób woda zachowuje cię podczas przepływu przez rurę. Rysunek 12 Kierunek przepływu cieczy. COMSOL Multiphysics

20 Program potrafi także w sposób graficzny przedstawić rozkład pól prędkości powietrza. Rysunek 13 Pola prędkości cieczy. COMSOL Multiphysics