Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Mechanika i Budowa Maszyn Grupa M2 Semestr V Metoda Elementów Skończonych prowadzący: dr hab. T. Stręk, prof. nadzw. wykonawcy: Grzegorz Geisler Paweł Machowicz 1
Spis treści 1. Symulacja przepływu ciepła w modelu 3D 1.1 Wstęp teoretyczny....3 1.2 Opis badanego przedmiotu......3 1.3 Analiza w programie COMSOL......4 1.4 Wyniki i wnioski......7 2. Analiza stanu naprężeń w kierownicy rowerowej 2.1 Opis badanego przedmiotu.....8 2.2 Analiza w programie COMSOL.. 8 2.3 Wyniki i wnioski 10 3. Analiza przepływu powietrza podczas jazdy w kasku MTB i w kasku do jazdy na czas. 3.1. Opis badanych przedmiotów 11 3.2. Analiza w programie COMSOL kasku górskiego...12 3.3. Analiza w programie COMSOL kasku do jazdy na czas 14 3.4. Wnioski 15 2
1. Symulacja przepływu ciepła w modelu 3D 1.1 Wstęp teoretyczny: Do wykonania analizy program COMSOL MULTIPHYSICS używa następującego równania: Gdzie: - współczynnik skalowania w czasie; - gęstość; - pojemność cieplna; - tensor przewodności cieplnej; - źródło ciepła. 1.2 Opis badanego przedmiotu: Przedmiotem, który został poddany komputerowej analizie rozkładu temperatury przy pomocy aplikacji Heat Transfer by Conduction programu COMSOL MULTIPHYSICS 3.4 jest kubek aluminiowy wypełniony wodą. Rys.1 Model wykonany w programie Inventor Rys.2 Model wczytany do programu COMSOL Dane wejściowe: Temperatura otoczenia: Temperatura wody: Materiał kubka: aluminium 5154 (UNS A95154) Czas grzania: 30 s 3
1.3 Analiza w programie COMSOL: Rys.3 Wybór materiału Rys.4 Ustalenie temperatury początkowej kubka 4
Rys.5 Ustalenie warunków brzegowych ( powierzchni wewnętrznej ) Rys.6 Ustalenie warunków brzegowych ( powierzchni zewnętrznej ) 5
Rys.7 Ustalenie czasu nagrzewania Rys.8 Siatka (Mesh) 6
1.4 Wyniki i wnioski: Rys.9 Rozkład temperatury w kubku wypełnionym wrzątkiem po 30s grzania Po przeprowadzonej analizie komputerowej rozkładu temperatury przy pomocy aplikacji Heat Transfer by Conduction programu COMSOL MULTIPHYSICS 3.4 dla aluminiowego kubka widzimy, że po 30 sekundach temperatura prawie wyrównała się w całej objętości. Jest ona niższa w pobliżu ucha, które nie miało bezpośredniego kontaktu z wrzącą wodą. Najniższa temperatura wynosi 89,58, najwyższa zaś 91,37 co dowodzi tego, że aluminium bardzo dobrze przewodzi ciepło i nie jest najlepszym materiałem na kubki. Trzymanie naczynia za ucho mogłoby skończyć się poparzeniem. 7
2. Analiza stanu naprężeń w kierownicy rowerowej 2.1 Opis badanego przedmiotu: Przedmiotem analizy drugiej części projektu jest kierownica rowerowa, zaprojektowana podobnie jak element poprzedni, w programie Inventor. Początkowo była ona wydrążona, ale okazała się zbyt skomplikowana dla programu. Kierownica odciążona została w miejscach, w których jest ona trzymana przez rowerzystę. Rys.10 Model wykonany w programie Inventor Rys.11 Model wczytany do programu COMSOL Dane wejściowe: Obciążenie w osi Y: Obciążenie w osi X: Materiał kierownicy: stal 1006 (UNS G10060) 2.2 Analiza w programie COMSOL: Rys.12 Wybór materiału 8
Rys13. Ustalenie obciążenia Rys.14 Utwierdzenie kierownicy Rys.15 Siatka (Mesh) 9
2.3 Wyniki i wnioski Naprężenia Rys.16 Rozkład naprężeń w kierownicy Przemieszczenia Rys.17 Przemieszczenia w kierownicy 10
Po przeprowadzonej analizie komputerowej rozkładu naprężeń i przemieszczeń przy pomocy programu COMSOL MULTIPHYSICS 3.4 dla stalowej kierownicy rowerowej widzimy, że największe naprężenia występują w miejscach połączenia z mostkiem oraz w miejscach zmiany średnicy. Wynoszą one maksymalnie 4.5x10 5 Pa. Można zauważyć jak odkształca się kierownica obciążana przez rowerzystę. Widoczne przemieszczenia końców przedmiotu są zgodne z kierunkami działających sił i wynoszą maksymalnie ok. 5 µm. 3. Analiza przepływu powietrza podczas jazdy w kasku MTB i w kasku do jazdy na czas. 3.1 Opis badanych przedmiotów. Przedmiotem analizy jest kask MTB w którym ściągają się kolarze górscy. Kaski mają przede wszystkim zapewnić bezpieczeństwo i komfort jazdy, ale teraz producenci prześcigają się również w takich parametrach jak na przykład: wentylacja głowy i aerodynamika, która jest opracowywana w tunelach aerodynamicznych. Drugim przedmiotem analizy będzie kask do jazdy na czas. W którym dopracowana w najmniejszym detalu aerodynamika pozwala urwać kolejne sekundy w wyścigach. Rys.18 Kask górski GIRO Rys. 19 Kask do jazdy na czas LAZER 11
3.2 Analiza w programie Comsol kasku górskiego. Rys.20 Wartości charakterystyczne powietrza Rys.21 Uproszczony model kasku w tunelu aerodynamicznym Rys.22 Prędkość przepływu powietrza 12
Rys. 23 Mesh Rys. 24 Rozkład prędkości wokół kasku 13
Rys. 25 Rozkład ciśnienia wokół kasku 3.3 Analiza w programie Comsol kasku do jazdy na czas. Parametry powietrza oraz kolejność kroków przeprowadzonej analizy jest analogiczna do kasku górskiego, którego przypadek rozpatrzony był powyżej. Rys. 26 Rozkład prędkości powietrza wokół kasku do jazdy na czas 14
3.4 Wnioski. Rys. 27 Rozkład ciśnienia wokół kasku do jazdy na czas Po przeprowadzeniu analizy, przy wykorzystaniu modułu do mechaniki płynów Fluid Dynamics i porównaniu dwóch powyższych kształtów, można zaobserwować różnicę w przepływie powietrza wokół kasków. Prędkość niestety nie odpowiada rzeczywistym wartością, ponieważ w rozpatrywanych przypadkach kaski z założenia są nieskończenie długie. Mała prędkość przepływu powietrza nie daje wiarygodnych wyników, dają ogólny widok zjawiska opływu powietrza. Ciśnienie jest wyraźnie najwyższe na początku obu kasków, gdzie następuje ściskanie powietrza z jednej strony przez kask, a drugiej przez napływające warstwy powietrza. Prędkość powietrza jest prawie dwukrotnie większa za kaskami, niż przed. 15