Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Kierunek : Mechanika i Budowa Maszyn Profil dyplomowania : Inżynieria mechaniczna Studia stacjonarne I stopnia PROJEKT ZALICZENIOWY METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH Jakub Drogowski Maciej Brejecki Prowadzący Dr hab. Tomasz Stręk, prof. nadzw. Poznań, 2014
SPIS TREŚCI Zagadnienie 1: Wykorzystanie MES w ocenie analizu przepływu ciepła na przykładzie rozchodzenia się ciepła w kubku termicznym.... 5 1.1Model wejściowy... 5 1.2Proces postępowania :... 7 1.3 Wyniki analizy i wnioski... 11 Zagadnienie 2: Analiza obciążenia statycznego na przykładzie klucza.... 12 2.1 Model wejściowy... 12 2.2 Proces postępowania :... 13 2.3 Wyniki analizy i wnioski :... 15 Zagadnienie 3: Porównanie opływu aerodynamicznego lokomotyw.... 17 3.1 Model wejściowy... 17 3.2 Proces postępowania... 18 3.3 Wyniki analizy i wnioski... 22
Zagadnienie 1: Wykorzystanie MES w ocenie analizu przepływu ciepła na przykładzie rozchodzenia się ciepła w kubku termicznym. 1.1Model wejściowy Analizę MES dla przepływu ciepła przeprowadziliśmy na przykładzie kubka termicznego firmy AURILE w celu określenia jego własności termicznych tzn. czy po zalaniu kubka cieczą o wysokiej temperaturze, nie oparzy on dłoni użytkownika. Model kubka wykonaliśmy w progamie Autodes Inventor 2013. Rysunek 1. Model kubka termicznego
Dane wejściowe dla przeprowadzonej analizy MES : 1. Materiał INCONEL 740 2. Temperatura wewnętrznych ścianek kubka 350 K (temperatura cieczy, którą wypełniony został kubek ) 3. Współczynnika przejmowania ciepła 10 4. Temperatura początkowa : 293 K 5. Czas przeprowadzonej analizy 60 sekund 6. Izolacja termiczna pozostałych ścian kubka w celu wyeliminowania wpływu temperatury otoczenia na przeprowadzaną analizę. Równanie użyte do przeprowadzenia analizy :
1.2Proces postępowania : Zaimportowanie modelu CAD do programu Comsol 3.4 Rysunek 2. Model przedmiotu w programie Comsol
Wybór materiału : Rysunek 3. Okienko wyboru materiału Określenie temperatury początkowej T 0 : Rysunek 4. Okienko określenia temperatury początkowej
Określenie warunków brzegowych dla ścianek wewnętrznych : Rysunek 5. Okienko określenia warunków brzegowych dla wewnętrzych ścianek Określenie warunków brzegowych dla pozostałych ścianek: Rysunek 6. Okienko określenia warunków brzegowych dla pozosałych ścianek
Ustawienie parametrów solvera : Rysunek 7. Okienko solvera Wygenerowanie siatki (8047 elemenów) : 8.Uaktualnienie modelu, rozpoczęcie analizy, otrzymany wynik : Rysunek 8. Model z naniesioną siatką
1.3 Wyniki analizy i wnioski Rysunek 9. Rozkład temperatury w badanym modelu Z przeprowadzonej analizy wynika, że temperatura ścianek zewnętrznych, z którymi ma kontakt użytkownik tego kubka termicznego nieznacznie wzrośnie, mianowicie tylko o dwa stopnie. Jest to temperatura bezpieczna dla dłoni użytkownika, które zapewnie nie ulegną oparzeniu. Wzrost temperatury zauważalny jest również w podstawie kubka, lecz wyposażony jest on w gumową podstawkę, która w dodatkowy sposób chroni przed oparzeniem.
Zagadnienie 2: Analiza obciążenia statycznego na przykładzie klucza. 2.1 Model wejściowy Analizę obciążenia statycznego wykonaliśmy na przykładzie klucza nasadowego-jednoczęściowego o rozmiarze 30mm. Rysunek 10. Model elementu Dane wejściowe: - materiał : Stal St3 : Moduł Younga E = 2,05 10 MPa Współczynnik Poissona ν = 0,3 Gęstość ρ=7900 - masa własna przedmiotu 0,5 kg - obciążenie 500N
2.2 Proces postępowania : Zdefiniowanie materiału : Rysunek 11. Okienko zdefiniowania materiału 1. Zdefiniowania warunków brzegowych : Przedmiot unieruchomiony został w miejscu w którym styka się z odkręcanym elementem, tzn. względem 6 ścianek, wewnątrz nasadki klucza.
Obciążenie przyłożone zostało do ścianki, do której osoba używająca klucz, przykładała będzie siłę w celu odkręcenia danego elementu. Rysunek 13. Okienko zdefiniowania warunku brzegowego dla płaszczyzny do której została przyłożona siła Wygenerowanie siatki 27872 elementów : Rysunek 14. Model z naniesioną siatką
2.3 Wyniki analizy i wnioski : Naprężenia von Misses [Pa] Rysunek 15. Wyniki badań naprężenia
Deformacja elementu [mm] Rysunek 16. Wyniki badań - deformacja Największe naprężenia wystąpiły w miejscu łączenia części chwytowej z częścią roboczą. Największe deformacje przedmioty wystąpiły na końcu części chwytowej klucza, w kierunku zgodnym z kierunkiem przyłożenia siły i wynosiły 1,57 μm. Wartość ta jest bardzo mała i z pewnością nie zagraża ona bezpiecznemu użytkowanie przedmiotu.
Zagadnienie 3: Porównanie opływu aerodynamicznego lokomotyw. 3.1 Model wejściowy Elementami badanymi są lokomotywy, jedna z nich to nowoczesna lokomotywa TGV, a druga to stara lokomotywa parowa z XIX wieku. Podczas badan przyjęto, że lokomotywa opływana jest przez powietrze, które zostało zdefiniowane w bibliotece COMSOLA. Wymiar tunelu dla obydwu lokomotyw wynosi 25m x 10 m. Rys.17. Rysunek przedstawiający elementy badanane
Modele lokomotyw są przybliżonymi modelami rzeczywistych lokomotyw, rysunki są znaczenie uproszczone. 3.2 Proces postępowania Rys.18. Rysunek przedstawiające przekroje zaprojektowanych modeli Wybór modułu Z racji wykonywania badania dla przekroju elementu należało wybrać opcję 2D. Rys. 19. Rysunek przedstawiający wybór modułu
Wczystanie modelu, określenie niezbędnych parametrów i rodzaju medium. W zakładce OPTIONS>Constans zdeklarować wartość T [ K], w naszym przypadku przyjęliśmy wartość T równa 293[ K]. Rys.20. Rysunek przedstawiający parametry medium Określenie warunków brzegowych. Należało zdefiniować wejście oraz wyjście medium w tunelu aerodynamicznym, ścianka lewa pionowa wlot, ścianka prawa pionowa wylot. Resztę krawędzi określiliśmy jako ściany. Na wlocie nadaliśmy prędkość równą 20 m/s. Rys. 21. Wybór warunków brzegowych na wlocie krawędzi 1 prędkość wlotu 20m/s
Rys. 22. Okreslenie warunków brzegowych dla reszty krawędzie Rys. 23. Określenie warunków brzegowych na wylocie krawędź 27
Wykonanie, wygenerowania siatki elementów skończonych Dla obydwóch modeli. Odpowiednio dla modeli zostało wygenerowane 5832 i 8672 elementów skończonych siatki. Rys. 24. Rysunek przedstawiający wygenerowanie siatki elementów skończonych.
3.3 Wyniki analizy i wnioski Na podstawie wygenerowanych modeli oraz siatek dokonaliśmy rozwiązania zagadnienia. Problem został rozpatrzony pod kątem zmiany prędkości przepływu oraz zmiany ciśnienia. Rys. 26. Prędkość przepływu powietrza w tunelu
Rys. 27. Ciśnienie podczas opływu w tunelu Dla obu przypadków prędkość opływu się zwiększa ponad dwukrotnie w krytycznych miejscach. Dla modelu TGV rozkład prędkości przebiega regularniej, natomiast dla lokomotywy parowej największe wartości kumulują się nad kabiną, wynikają one, bowiem z nie opływowego kształtu samej kabiny. Widać też, że dla TGV w przedniej części, pod kadłubem powstają zawirowania powietrza. Sytuacja ta tyczy się również na końcach lokomotyw. Jeżeli chodzi o ciśnienie, widać że nie ma jakichkolwiek zaburzeń, największe ciśnienie zlokalizowane jest w przedniej części lokomotyw.