Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Poznań r Politechnika Poznańska Projekt ukazujący możliwości zastosowania programu COMSOL Multiphysics Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Kierunek Mechanika i Budowa Maszyn Specjalizacji Konstrukcja Maszyn i Urządzeń Rok akademicki 2011/2012 Rok studiów: IV Semestr: VII Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk Wykonawcy Darul Konrad Michał Fojut

2 Analiza odkształceń mostu Projekt I

3 I. Odkształcenie pod wpływem obciążenia Przeprowadzenie poniższej symulacji ma na celu wyznaczenie maksymalnych ugięć mostu. Badany będzie most wykonany z metalu i betonu. Analiza ugięcia zostanie przeprowadzona w programie COMSOL 3.5 przy pomocy modułu: Solid, Stress-Strain Application Mode. Model badanego elementu został utworzony w programie Solid Works. Most rodzaj przeprawy w postaci budowli inżynierskiej, której konstrukcja pozwala na pokonanie przeszkody wodnej (rzeki, jeziora, zatoki, morskiej cieśniny itp.) Opis badanego modelu Przedmiotem badań jest kładka o wymiarach 2000mm x 500mm grubość profilu 50mm. 1) Rysunek 3D dobranego element do badań Rysunek wykonany został w programie Solid Works a następnie zaimportowany do programu CONSOL Multiphysics w celu przeprowadzenia badania wytrzymałościowego

4 2) Przeprowadzona analiza Wybrany moduł: Rys. 2. kładka

5 Model wykonany w Solid Works Warunki początkowe Stal

6 beton Warunki brzegowe: umocowanie

7 Obciążenie Siatka:

8 Wyniki: Stal Beton Po dokonaniu niezbędnych obliczeń w programie COMSOL uzyskane zostały następujące wyniki. Na rysunkach widoczne są naprężenia von Misesa nazywane naprężeniami zredukowanymi Hubera lub Hubera Misesa. W obliczenia przeprowadzona została tzw. średnia liczona ze wszystkich składowych tensora naprężeń w celu uzyskania, zobrazowania najbardziej obiektywnego wyniku wskaźnika wytężenia materiału w wieloosiowych stanach naprężeń gdy nie występuje proste rozciąganie lub zginanie. Wnioski z uzyskanych wyników Po wykonaniu dwóch powyższych pomiarów dla mostu stalowego i betonowego. W przypadku mostu wykonywanego z betonu nie wystąpiły praktycznie odkształcenia, natomiast w przypadku mostu wykonanego ze stali można zaobserwować minimalne odkształcenia.

9 Projekt II Przepływ płynów w elementach używanych w codziennych czynnościach - porównanie

10 I. Przepływ płynu Przy badaniu przepływu płynu skupiliśmy się na elementach występujący w życiu codziennym, wykorzystywane do badania aerodynamiczności przepływu cieczy wokół kadłubów tankowca i klasycznej motorówki. Różnorodność kształtów elementów badanych przez nas jest ogromna. My postanowiliśmy skupić się na kształtach występujących w najczęściej stosowanych konstrukcjach wodnych. Do badań wyznaczyliśmy sobie kadłub tankowca oraz kadłub sportowej motorówki. Celem naszego badania będzie uzyskanie informacji która konstrukcja jest lepsza i powoduje mniejsze zaburzenia przepływu. 1) Rysunki wybranych elementów do badań Jak już wcześnie wspomnieliśmy do badań porównywalnych przepływu wody wybraliśmy konstrukcji kranów występujących w przemyśle a szczególnie tego rodzaju ze względu na ciekawość jaka konstrukcja występująca w naszym domu jest korzystniejsza

11 2) Opis elementów Do badań dobraliśmy 2 rodzaje kadłubów. Ze względu na trudność uzyskania szczegółowych informacji odnośnie wymiarów od producentów skonstruowaliśmy kształty, które odzwierciedlają kształt zewnętrzny bez zachowania wielkości wymiarowych. Przepływ płynów Moduł comsol

12 Geometria Tankowiec Warunki brzegowe tankowiec

13 Siatka tankowiec

14 Wyniki: Geometria motorówka Siatka motorówka

15 Wyniki Wnioski porównawcze dwóch modeli przebadanych Analizując otrzymane wyniki, możemy zauważyć, iż w przypadku kadłuba tankowca następują duże zaburzenia pod powierzchnią kadłuba co daje dużą siłę wyporu i stateczność, a prędkość nie odgrywa większego znaczenia. W przypadku motorówki możemy zaobserwować, iż kadłub ma bardziej opływowy kształt. W ten sposób otrzymujemy mniejszy opór i większe prędkości.

16 Projekt III Trójwymiarowy przepływ ciepła na podstawie kominka

17 II. Trójwymiarowy przepływ ciepła Przewodzenie ciepła proces wymiany ciepła między ciałami o różnej temperaturze pozostającymi ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Polega on na przekazywaniu energii kinetycznej bezładnego ruchu cząstek w wyniku ich zderzeń. Proces prowadzi do wyrównania temperatury między ciałami. Ciepło płynie tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur, w kierunku od temperatury wyższej do temperatury niższej. Z dobrym przybliżeniem dla większości substancji ilości energii przekazywanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest proporcjonalna do różnicy temperatur, co opisuje równanie różniczkowe Fouriera: Gdzie: q[w/m 2 ] gęstość strumienia ciepła, λ[w/m*k] współczynnik przewodzenia ciepła (zwany też przewodnością cieplną), [W/K]-gradient temperatury Gęstość strumienia ciepła q to wielkość wektorowa, opisująca szybkość i kierunek przepływu ciepła. Jej wartość określa ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się ciepła. Gradient temperatury jest wektorem wskazującym kierunek najszybszego przyrastania temperatury. W przypadku niektórych elementów charakteryzujących się dużymi gradientami temperatury pamiętać należy, że w tym obszarze występują znaczne różnice temperatur. Współczynnik przewodzenia ciepła oznacza łatwość przewodzenia ciepła przez dany materiał. Dobrymi przewodnikami ciepła nazywamy materiały, dla których wartość współczynnika przewodzenia ciepła jest duża, natomiast materiały będące izolatorami cieplnymi charakteryzują się małymi wartościami l.

18 1) Rysunek 3D badanego modelu 2) Szczegółowy opis badanego modelu Celem naszej analizy trójwymiarowego przepływu ciepła jest kominek wykonany z żeliwa i marmuru. Szczegółowe wymiary: 1000mmx 1000mm Wysokość komina 5000mm 3) Przeprowadzona analiza W naszym przypadku badaliśmy przepływ ciepła prze kominek. Celem przeprowadzanego przez nas badania jest pokazanie rozkładu temperatur. Piec został rozgrzany do temperatury 1000K. Do wykonania powyższej analizy program COMSOL Multiphysics wykorzystuje następujące równanie: Gdzie: δ ts - współczynnik czasowego skalowania ρ gęstość C p pojemność cieplna K tensor przewodności cieplnej Q źródło ciepła

19 Przepływ ciepła: Moduł comsol Model solid

20 Siatka Warunki początkowe Żeliwo

21 Granit Warunki brzegowe: ogrzewane chłodzone

22 Wyniki granit Żeliwo

23 Wnioski Po przeprowadzeniu analizy otrzymanych wyników zaobserwowaliśmy, iż w przypadku komina wykonanego z granitu występuje małe nagrzanie się ścianek komina. Gorące spaliny wydostają się na zewnątrz, świadczy to o tym iż granit dobrze izoluje cieplnie i możemy go używać w przypadkach gdzie zależy nam na małym nagrzewaniu się powierzchni zewnętrznej komina. W przypadku komina wykonanego z żeliwa występuje nagrzewanie się powierzchni zewnętrznej co może być wykorzystane do nagrzewania pomieszczeń.