WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Laboratorium MES projekt

Transkrypt

1 WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA POLITECHNIKA POZNAŃSKA Laboratorium MES projekt Wykonali: Tomasz Donarski Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk Maciej Dutka Kierunek: Mechanika i budowa maszyn Specjalność: Konstrukcja maszyn i urządzeń Semestr: VI Poznań 2014

2 1. Analiza naprężeń w kształtowniku zamkniętym o przekroju prostokątnym Rys.1. Ksztatownik zamknięty, prostokoątny.

3 1.1. Wstęp Poniższa symulacja ma na celu wyznaczenie maksymalnych naprężeń w badanm obiekcie, powstałych w nim na skutek obciążenia go siłą skupioną. Do przeprowadzenia tej analizy wykorzystany zostanie program COMSOL Multiphysics v Przedmiotem badania będzie kształtownik zamknięty o przekroju prostokątnym, którego wymiary wynoszą: Wysokość 50 mm Szerokość 30 mm Grubość ścianki 4,2 mm Analizie poddany zostanie kształtownik o długości 1 m. Badane będą jego 2 charakterystyczne przekroje. Materiałem, z którego jest wykonany jest stal konstrukcyjna S420MH EN 10219, charakteryzująca się następującymi właściwościami wytrzymałościowymi: Minimalna granica plastyczności Rp0,2 = 420 Mpa Minimalna wytrzymałość na rozciąganie Rm = Mpa Wydłużenie A5 = 19 % Pozostałe właściwości fizyczne: Gęstość 7,85 g/cm 3 Moduł Younga 2, MPa Współczynnik Poissona 0,33 Kształtowniki badanego rodzaju, wykonane z ww. materiału znajdują zastosowanie w następujących konstrukcjach: Konstrukcje szkieletowe budynków Konstrukcje mostów Balustrady Konstrukcje ramowe maszyn, pojazdów transportowych i urządzeń dźwigowych Słupy Maszty 1.2. Modelowanie Badany obiekt zamodelowano w programie Inventor firmy Autodesk (Rys.2.), a następnie zapisano go w jednym z formatów, kompatybilnych z programem COMSOL Multiphysics v Wybrano rozszerzenie.stp.

4 Rys.2. Model wykonany w programie Inventor Wybór modułu programu i analiza Trójwymiarowa (dział 3D) analiza została przeprowadzona przy użyciu modułu Static Analysis, będącego podmodułem działu Structural Mechanics. Następnie importowano do programu COMSOL zamodelowany wcześniej obiekt (Rys.3.). Rys.3. Import geometrii wykonanej w programie zewnętrznym.

5 Rys.4. Wybór materiału. Rys5. Wskazanie utwierdzeń.

6 Rys6. Implementacja obciążenia rozłożonego. Belkę poddano działaniu obciążenia rozłożonego równomiernie ca całej powierzchni o wartości 200kN/m Wyniki Analiza przekroju pierwszego Obciążenie zostało przyłożone do jednej z większych powierzchni bocznych. Rys.7. Naprężenia zastępcze liczone wg. hipotezy Hubera Misesa; przekrój pierwszy.

7 Maksymalne naprężenia zgodnie z oczekiwaniami wystąpiły w utwierdzeniach, gdzie ich wartość osiągnęła w przybliżeniu 79 MPa. Można zatem stwierdzić, iż zaaplikowane obciążenie jest obciążeniem bezpiecznym dla tej konstrukcji, ponieważ granica sprężystości nie została przekroczona. Rys.8. Przemieszczenie; przekrój pierwszy. Maksymalne przemieszczenie również zgodnie z oczekiwaniami miało miejsce w połowie długości belki. Wyniosło one 0,43 mm.

8 Analiza przekroju drugiego W drugiej fazie badań celem porównania obciążenie zostało przyłożone do jednej z mniejszych powierzchni bocznych. Rys.9. Naprężenia zastępcze liczone wg. hipotezy Hubera Misesa; przekrój drugi. Tym razem wyniki symulacji pokazały, iż naprężenia zastępcze wyniosły 122 MPa. Wynik ten stanowi około 150% wyniku pierwszego.

9 Rys.10. Przemieszczenia; przekrój drugi. Analiza przemieszczeń przypadku drugiego wykazała maksymalne przemieszczenia o wartości około 0,75 mm, co podobnie jak w przypadku naprężeń, jest wynikiem wyższym o kilkadziesiąt procent od wyniku przedstawionego podczas badania przypadku pierwszego Wnioski Przeprowadzona analiza wykazała użyteczność metody elementów skończonych we wstępnych etapach projektowania konstrukcji. Zastosowanie MES w późniejszych fazach konstruowania wymagałoby zbudowania dokładniejszego modelu fizycznego. Badania potwierdziły również mniejszą wytrzymałość przekroju o mniejszym wymiarze charakterystycznym, względem przekroju większego z zaznaczeniem, że badania obydwu przekrojów odbywały się w tych samych warunkach.

10 2. Analiza nagrzewania się szufli stalowej do pieca kaflowego ogrzewanego węglem Wstęp Poniższa symulacja ma za zadanie zbadać jak długo można utrzymać substancję rozgrzaną do wysokiej temperatury na stalowej szufli bez ryzyka poparzenia. Przedmiotem analizy będzie szufla o wymiarach: Oraz następujących właściwościach materiałowych: Współczynnik przewodzenia ciepła k = 58 W/(m*K) Gęstość ρ = 7890kg/m 3 Ciepło właściwe C p = 452 J/(kg*K) Przenosząca rozgrzany do wysokiej temperatury opał stały. Temperaturę przenoszonej substancji przyjęto orientacyjnie jako 800 C Modelowanie Model wykonano analogicznie, jak w pierwszym rozdziale modelowanie w programie zewnętrznym z następną konwersją i importem do środowiska COMSOL Wybór modułu programu i analiza Rys.11. Parametry materiałowe.

11 Rys.12. Warunki brzegowe części przenoszącej węgiel Rys.13. Warunki brzegowe pozostałej części

12 Rys.14. Tworzenie siatki 2.4. Wyniki Po 30 sekundach. Zmiana temperatury części chwytowej po 30 pierwszych sekundach jest niewielka, prawdopodobnie nieodczuwalna. Rys.15. Rozkład temperatur po 30 sekundach

13 Po 45 sekundach. Po 45 sekundach temperatura części chwytowej wzrosła o 10 C Po 53 sekundach. Rys.16. Rozkład temperatur po 45 sekundach Temperatura podniesiona o 20 C, a więc do 40 C. W tej temperaturze człowiek nie odczuwa jeszcze dyskomfortu, jednak przekroczenie temperatury ludzkiego ciała jest odczuwalne. Rys.17. Rozkład temperatur po 53 sekundach

14 Po 60 sekundach. Po pełnej minucie temperatura części chwytowej osiąga wartość 50 C, a więc zbliża się do wartości niebezpiecznych. Rys.16. Rozkład temperatur po 60 sekundach coraz większy przyrost temperatury

15 Po 66 sekundach. Kolejne 6 sekund przynosi już wzrost o kolejne 10 C stopni, do wartości 60 C, która to może już powodować pewne obrażenia, szczególnie przy nieprzerwanym kontakcie Wnioski Rys.17. Rozkład temperatur po 66 sekundach Celem zwiększenia bezpieczeństwa używania badanego narzędzia należałoby wyposażyć je w uchwyt odizolowany od stalowago trzonka, bądź pokryć go materiałem żaroodpornym. Łatwo zauważyć pewną granicę czasową (w zależności od indywidualnych predyspozycji pomiędzy 30 a 45 sekund) do której uchwyt narzędzia można bezpiecznie trzymać, a dopiero po przekroczeniu której następuje zoraz szybszy przyrost temperatury.

16 3. Porównanie właściwości aerodynamicznych śrutów do karabinka pneumatycznego z płaskim i zaokrąglonym łbem. Rys. 18. Karabinek pneumatyczny Savia631 Rys. 19. Śrut płaski [2] Rys. 20 Śrut z łbem zaokrąglonym[3] 3.1. Wstęp Dobór śrutu do broni pneumatycznej jest sprawą bardzo indywidualną. Zależy zarówno od klasy broni, jej osiągów, wymagań do konkretnych dyscyplin, lub nawet prywatnych preferencji strzelca. W ostatnim czasie na rynku pojawiły się śruty o znormalizowanej geometrii. Porównanie to ma na celu określenie różnic pomiędzy lotem amunicji płaskiej i amunicji z łbem zaokrąglonym Modelowanie Przy pomocy programu AutoCAD powstały kontury zarysu amunicji obu typów, które importowano do programu COMSOL dzięki zapisowi w formacie.dxf. Pewność co do jednorodnego kalibru uzyskano rysując oba zarysy na jednym rysunku i później je przenosząc.

17 3.3. Wybór modułu programu i analiza Wykorzystano moduł analizy 2D za pomocą równanie Naviera-Stokesa. Rys.18. Dezaktywowany rozpatrywany element Rys.19. Warunki brzegowe wlotu do tunelu

18 Rys.20. Warunki brzegowe wylotu z tunelu Rys.21. Warunki brzegowe na ścianach tunelu

19 Rys.22. Rozkład ciśnień wokół lecącego pocisku z łbem zaokrąglonym Rys.23. Rozkład ciśnień wokół lecącego pocisku z łbem płaskim

20 Rys.24. Rozkład prędkości przepływu wokół lecącego pocisku z łbem zaokrąglonym Rys.25. Rozkład prędkości przepływu wokół lecącego pocisku z łbem płaskim

21 3.3. Wnioski Rozkład ciśnień i prędkości za pociskiem o zaokrąglonej główce jest bardziej wzburzony, co pozwala wnioskować o jego większej skłonności do koziołkowania. [1] [2] [3] [4]