Laboratorium Metoda Elementów Skończonych Projekt z wykorzystaniem programu COMSOL Multiphysics 3.4

Podobne dokumenty
METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

LABORATORIUM METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃOCZNYCH Projekt

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Politechnika Poznańska

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Metoda Elementów Skończonych

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania. Projekt: Metoda Elementów Skończonych Program: COMSOL Multiphysics 3.4

Politechnika Poznańska Metoda elementów skończonych. Projekt

Politechnika Poznańska

Metoda Elementów Skończonych. Projekt: COMSOL Multiphysics 3.4.

Metoda Elementów Skończonych

Projekt Metoda Elementów Skończonych. COMSOL Multiphysics 3.4

Politechnika Poznańska

Politechnika Poznańska

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

4. Analiza stanu naprężeń i odkształceń na przykładzie uchwytu do telewizora... 19

Politechnika Poznańska

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH.

PROJEKT MES COMSOL MULTIPHYSICS 3.4

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

PROJEKT METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

PROJEKT METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

Politechnika Poznańska

Politechnika Poznańska. Zakład Mechaniki Technicznej. Metoda Elementów Skończonych Lab. Wykonali: Antoni Ratajczak. Jarosław Skowroński

Politechnika Poznańska. Zakład Mechaniki Technicznej. Metoda Elementów Skończonych Lab. Wykonali: Marta Majcher. Mateusz Manikowski.

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Projekt z przedmiotu Metoda Elementów Skończonych

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Metoda Elementów Skończonych. Projekt: COMSOL Multiphysics 3.4.

Metoda Elementów Skończonych

Metoda Elementów Skończonych

POLITECHNIKA POZNAŃSKA METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH LABORATORIA

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Laboratorium MES projekt

Politechnika Poznańska

POLITECH IKA POZ AŃSKA

Politechnika Poznańska

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

Metoda Elementów Skończonych Projekt zaliczeniowy

Podczas wykonywania analizy w programie COMSOL, wykorzystywane jest poniższe równanie: 1.2. Dane wejściowe.

Metoda Elementów Skończonych

PROJEKT METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Metoda Elementów Skończonych

1. Przepływ ciepła Rysunek 1.1 Projekt tarczy hamulcowej z programu SOLIDWORKS

Metoda Elementów Skończonych

POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH PROJEKT ZALICZENIOWY COMSOL 4.3

Politechnika Poznańska

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH PROJEKT

Politechnika Poznańska

LABORATORIUM MES- PROJEKT

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

MES Projekt zaliczeniowy.

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium. Ćwiczenie 1. Modelowanie ugięcia membrany krzemowej modelowanie pracy mikromechanicznego czujnika ciśnienia

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Metoda Elementów Skończonych Projekt na laboratorium

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Aparaty słuchowe Hi-Fi z Multiphysics Modeling

Metoda Elementów Skończonych

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium. Ćwiczenie 1. Modelowanie ugięcia membrany krzemowej modelowanie pracy mikromechanicznego czujnika ciśnienia

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: modelowanie membrany krzemowej podstawowego elementu piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia

Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk, prof. nadz. Wykonali: Adam Wojciechowski Tomasz Pachciński Dawid Walendowski

Metoda Elementów Skończonych- Laboratorium

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Metoda Elementów Skończonych- Laboratorium. COMSOL Multiphysics 3.4

Projekt METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH w programie COMSOL Multiphysics 3.4

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Metoda Elementów Skończonych Laboratorium

Projekt. Filip Bojarski, Łukasz Paprocki. Wydział : BMiZ, Kierunek : MiBM, Rok Akademicki : 2014/2015, Semestr : V

Politechnika Poznańska. Zakład Mechaniki Technicznej

SYSTEMY MES W MECHANICE

Symulacja procesu wtrysku - Obudowa miernika

Metoda Elementów Skończonych

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych. i wewnętrznie ożebrowanych. Karol Majewski Sławomir Grądziel

Politechnika Poznańska. Projekt Metoda Elementów Skończonych

Politechnika Poznańska

Metoda elementów skończonych-projekt

Projekt zaliczeniowy laboratorium MES z wykorzystaniem oprogramowania COMSOL Multiphysics 3.4

Politechnika Poznańska

Politechnika Poznańska

POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Metoda Elementów Skończonych

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Metoda elementów skończonych

Modelowanie i symulacja zagadnień biomedycznych PROJEKT BARTŁOMIEJ GRZEBYTA, JAKUB OTWOROWSKI

Analiza obciążeń baneru reklamowego za pomocą oprogramowania ADINA-AUI 8.9 (900 węzłów)

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Niestacjonarne Wszystkie Katedra Inżynierii Produkcji Dr Medard Makrenek. Inny / Techniczny Obowiązkowy Polski Semestr trzeci. Semestr zimowy Brak Tak

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Metoda Elementów skończonych PROJEKT. COMSOL Multiphysics 3.4

Metoda Elementów Skończonych

Transkrypt:

Laboratorium Metoda Elementów Skończonych Projekt z wykorzystaniem programu COMSOL Multiphysics 3.4 Radosław Inczewski, Tomasz Kiwerski 2013-06-30 Wydział: ELEKTRYCZNY Kierunek: MATEMATYKA (studia stacjonarne II stopnia) Rok studiów: I Semestr: drugi Rok akademicki: 2012/2013 Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk, prof. PP

Wstęp. COMSOL Multiphysics jest pakietem symulacyjnym, rozwiązującym układy nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych przy wykorzystaniu metody elementów skończonych w jednym, dwóch lub trzech wymiarach. COMSOL Multiphysics pozwala na łatwe badanie, symulowanie i analizowanie złożonych zjawisk zachodzących w modelowanym systemie. Jest stosowany w różnych obszarach zastosowań inżynierskich i naukowych takich jak elektrotechnika, mechanika, inżynieria chemiczna, geofizyka, sterowanie, matematyka stosowana. W badanych systemach można opisywać wiele różnych zjawisk fizycznych i modelować je równocześnie, uzyskując wyniki bardzo dokładnie odzwierciedlające zachowanie rzeczywistego systemu. COMSOL pozwala również na szybkie i wygodne tworzenie modeli, uruchamianie symulacji oraz wizualizację wyników. Program pozwala rozwiązywać zagadnienia związane z np. elektromagnetyzmem, akustyką, mechaniką płynów (przepływy stacjonarne jak i niestacjonarne), przepływem ciepła, naprężeniami (statycznie oraz dynamicznie) czy konwekcją. Celem projektu jest zaprojektowanie oraz analiza prostych układów przy użyciu programu COMSOL. Dalsza część pracy zawiera analizę przepływu ciepła na uproszczonym przykładzie radiatora, analize stanu naprężeń i odkształceń na przykładzie modelu dwuteownika oraz analizę przepływu krwi w tętnicy pacjenta ze zmianami miażdżycowymi. Każda analiza poprzedzona jest wstępem zawierającym opis zjawiska/doświadczenia jak i badanego obiektu (dane materiałowe) oraz krótkim wstępem teoretycznym. 1

Spis treści Wstęp.... 1 1. Analiza stanu naprężeń i odkształceń na przykładzie dwuteownika.... 3 1.1. Wstęp teoretyczny i opis modelu.... 3 1.2. Implementacja modelu i analiza w programie COMSOL.... 4 1.3. Wnioski.... 5 2. Analiza przepływu ciepła na podstawie modelu radiatora.... 7 2.1. Wstęp teoretyczny i opis modelu.... 7 2.2. Implementacja modelu i analiza w programie COMSOL.... 9 2.3. Wnioski.... 11 3. Analiza przepływu krwi w tętnicy pacjenta ze zmianami miażdżycowymi.... 12 3.1. Wstęp teoretyczny i opis modelu.... 12 3.2. Implementacja modelu i analiza w programie COMSOL.... 13 3.3. Wnioski.... 16 2

1. Analiza stanu naprężeń i odkształceń na przykładzie dwuteownika. 1.1. Wstęp teoretyczny i opis modelu. Dwuteownik element konstrukcyjny o dużej długości i stałym przekroju poprzecznym, którego przekrój poprzeczny ma kształt dwóch zetkniętych pionowymi kreskami liter 'T' (stąd też jego nazwa). Dwuteowniki wykorzystywane są jako elementy nośne w konstrukcjach budowlanych i inżynierskich. Rys. 1. Przykładowy dwuteownik z wycięciami zmniejszającymi jego wagę. Rys. 2. Przekrój poprzeczny dwuteownika. Rys. 3. Przekrój poprzeczny uproszczonego dwuteownika. 3

Za model przyjmiemy dwuteownik szerokostropowy HEA 320 o długości 1 wykonany ze stali węglowej klasy St3 ( = 0,22%, = 0,05%, = 0,05%, = 0,1%, = 0,35%, = 1,1%, = 0,3%, = 0,3%, = 0,3%) o współczynnikach zebranych w poniższej tabeli: Tabela 1. Dane materiałowe dwuteownika parametry h b g s E jednostki [mm] [mm] [mm] [mm] [Pa] bezwymiarowa [ ] HEA 320 320 310 9 2,25 2 10 0,33 0 gdzie: - wysokość, szerokość podstawy, grubość środnika, grubość podstawy, moduł Younga, współczynnik Poissona, gęstość. Analizę odkształcenia przeprowadzimy za pomocą równania Lagrange a II-go rodzaju postaci: gdzie: siła obciążona, współczynnik zależny od gęstości. Siłę zwróconą w dół przykładamy w sposób ciągły na całej górnej powierzchni dwuteownika, przyjmujemy 00 [ ] oraz że nasz dwuteownik jest utwierdzony nieprzesuwnie na obu końcach. 1.2. Implementacja modelu i analiza w programie COMSOL. Korzystamy z modułów programu: Structural Mechanics Module Solid Stress Structure Static Analisis. Analiza ma charakter trójwymiarowy. Rysunek 1. 1 Projekt dwuteownika 4

Rysunek 1. 2 Ustawienie obciążenia ciągłego Liczba elementów siatki 21509. Rysunek 1. 3 Siatka Mesh 5

Rysunek 1. 4. Odkształcenie dwuteownika Rysunek 1. 5. Wykres naprężeń 1.3. Wnioski. Maksymalne ugięcie dwuteownika wyniosło 0.4 [mm] i wystąpiły one na brzegach powierzchni górnej dwuteownika. 6

2. Analiza przepływu ciepła na podstawie modelu radiatora. 2.1. Wstęp teoretyczny i opis modelu. Radiator element lub zespół elementów odprowadzających ciepło z elementu, z którym się styka, do otoczenia (np. powietrza). Radiator jest specjalnie ukształtowaną bryłą z metalu (lub jego stopów) dobrze przewodzącego ciepło o rozwiniętej powierzchni od strony powietrza, zazwyczaj w postaci żeber lub prętów by zwiększyć powierzchnię przekazywania ciepła. Radiatory wykonuje się najczęściej z aluminium i miedzi, czyli tworzyw mających dobre właściwości przewodzenia ciepła. W dalszej części skupimy się na radiatorach służących do chłodzenia procesorów komputerowych. Wyróżniamy następujące podstawowe systemy chłodzenia: 1. pasywny odprowadzanie ciepła przez radiator nie jest w żadne sposób wspomagane (poza pastą termoprzewodzącą nakładaną między procesor a radiator). 2. aktywny układ pasywny wspomagany jest przez wentylatory wymuszające ruch powietrza (tzw. coolery). 3. chłodzenie wodą wymiana ciepła odbywa się między procesorem a blokiem wodnym, w którym znajduje się zamknięty obieg wody. Rysunek 4. Przykładowy pasywny radiator. 7

Rysunek 5. Przykładowy aktywny radiator. Rysunek 6. Układ chłodzony wodą. Analizę przewodnictwa ciepła przeprowadzimy za pomocą równania postaci: ( ) gdzie: współczynnik skalowania w czasie, gęstość [ ], pojemność cieplna [ ],, temperatura [ ], czas [ ], tensor przewodności cieplnej [ ], źródło ciepła [ ]. Za model przyjmiemy radiator pasywny wykonany w całości z miedzi o wymiarach: Tabela 2. Wymiary radiatora s h g m [mm] [mm] [mm] [g] 380 450 380 130 gdzie: s szerokość, h wysokość, g głębokość, m masa. 8

Radiator został najpierw schłodzony do temperatury zera absolutnego (0 ), a następnie procesor, wykonany w całości z krzemu, został ogrzany do temperatury 393. Parametry użyte w obliczeniach zostały zebrane w poniższej tabeli: Tabela 3. Dane materiałowe radiatora 1 8960 385 0 400 2.2. Implementacja modelu i analiza w programie COMSOL. Korzystamy z modułów programu: Heat transfer Conduction Transient analysis. Analiza ma charakter trójwymiarowy. Rysunek 2. 1 Projekt radiatora 9

Rysunek 2. 2. Ustawienie temperatury procesora Rysunek 2. 3 Mesh Siatka posiada 106942 elementów. 10

Rysunek 2. 4 Rozkład temperatury na radiatorze po 30 [s] 2.3. Wnioski. Po 30 sekundach temperatura radiatora znacznie wzrosła (o ok. 1 0 stopni), zatem ze względu na dużą powierzchnię radiatora, będzie mógł on sprawnie odprowadzać ciepło do otoczenia, tym samym ochładzając procesor. 11

3. Analiza przepływu krwi w tętnicy pacjenta ze zmianami miażdżycowymi. 3.1. Wstęp teoretyczny i opis modelu. Miażdżyca tętnic przewlekła choroba, polegająca na zmianach zwyrodnieniowowytwórczych w błonie wewnętrznej i środkowej tętnic, głównie w aorcie, tętnicach wieńcowych i mózgowych, rzadziej w tętnicach kończyn. Miażdżyca polega na wysepkowatym gromadzeniu się w błonie wewnętrznej tętnic cholesterolu (i jego estrów) oraz innych lipidów. W pierwszym etapie komórki śródbłonka gromadzą nadmierne ilości cholesterolu i lipidów, które są przemieszczane pod błonę wewnętrzną tętnic. Kolejnym etapem jest wapnienie tych ognisk, prowadzące do miażdżycowego stwardnienia tętnic, oraz pojawienie się ubytków śródbłonka nad ogniskiem miażdżycowym. W miejscach obnażonych z błony wewnętrznej dochodzi do owrzodzeń miażdżycowych, które stają się obszarami przyściennej gromadzenia płytek krwi i narastania zakrzepów. Rysunek 7. Etapy rozwoju miażdżycy. Celem modelu jest ukazanie przepływu krwi i zmian prędkości przepływu przez tętnicę, której przekrój poprzeczny zostaje zawężony w wyniku choroby miażdżycowej. W programie wykorzystane zostały następujące parametry: Tabela 4. Dane przepływu krwi 0,65 13332,24 3,1 10 1055 12

gdzie: średnia prędkość przepływu krwi a tętnicy [ ], średnie ciśnienie krwi w tętnicy [ ], współczynnik lepkości dynamicznej krwi [ ], gęstość krwi [ ]. Analizę przepływu krwi przeprowadzimy za pomocą równania postaci: gdzie: siła, pole prędkości. [ ( ( ) )] 3.2. Implementacja modelu i analiza w programie COMSOL. Korzystamy z modułów program: Fluid Dynamics Inccompressible Navier Stokes Steady State Analisis. Analiza ma charakter dwuwymiarowy. Rysunek 3. 1 Wprowadzenie ustawień materiału 13

Rysunek 3. 2 Wybór kierunku przepływu krwi Rysunek 3. 3 Mesh dla tętnicy bez złogów miażdżycowych Liczba elementów siatki 197. 14

Rysunek 3. 4 Przepływ dla tętnicy bez złogów Rysunek 3. 5 Tętnica ze złogami Liczba elementów siatki 97. 15

Rysunek 3. 6 Przepływ krwi 3.3. Wnioski. Złogi miażdżycowe w znaczy sposób modyfikują geometrę przepływu krwi i jego prędkość, która zostaje zwiększona aż do maksymalnie 2 [ ], co może prowadzić do uszkodzenia tkanek. 16