Politechnika Poznańska Projekt: Metoda Elementów Skończonych Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk Wykonali: Adam Grzesiak Mateusz Szklarek Wydział: Budowy Maszyn i Zarządzania Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Rok akademicki: 2013/2014 Rok studiów: IV Semestr: VII Grupa: IRW
Spis treści: 1. Analiza obciążenia... 3 1.1. Opis założeń doświadczenia... 3 1.2 Obliczenia analityczne... 4 1.3 Analiza w programie Comsol Multiphysics 3.4... 6 1.4 Wyniki:... 8 1.5 WNIOSKI:... 10 2. Przepływ ciepła... 10 2.1 Przygotowanie do wykonania symulacji... 10 2.2 Wyniki symulacji i ich analiza... 12 2.3 Wnioski... 13 3. Przepływ powietrza w zależności od rodzaju spojlera samochodowego... 14 3.1 Wprowadzenie w założenia doświadczenia... 14 3.2 Wyniki i analiza... 17 3.3 Wnioski... 18 2
1. Analiza obciążenia 1.1. Opis założeń doświadczenia Celem tego doświadczenie było porównanie wyników obliczeń wytrzymałościowych, uzyskanych dwoma metodami, analityczną i przy pomocy programu Comsol Multiphysics. W tym celu zamodelowaliśmy dwa typy belek, teową (rys.2) i dwuteową (rys.1), o długości 1000mm w programie Catia V5R20. Belki te obciążane były na całej powierzchni roboczej ciężarem 100kg. W obliczeniach uwzględniono również oddziaływanie masy własnej materiału. Rys. 1 Przekrój belki dwuteowej Rys. 2 Przekrój belki teowej 3
Rys. 3 Widok wizualizacji belki teowej Rys.4 Widok wizualizacji belki dwuteowej 1.2 Obliczenia analityczne Rys. 5 Schemat rozpatrywanego przypadku, źródło: http://www.sms.am.put.poznan.pl/ 4
Rys. 6 Dane do obliczeń wytrzymałościowych, źródło: www.pkm.edu.pl Do obliczeń przyjęto moduł Younga E=200 GPa Jako siłę obciążającą sprowadzona została siła skupiona wynikająca z ciśnienia wywieranego na belkę oraz ciężaru własnego belki. Obliczenia dla teownika 5
Obliczenia dla dwuteownika 1.3 Analiza w programie Comsol Multiphysics 3.4 Model z catii, zapisany jako IGES, zaimportowaliśmy do Comsola, do modułu Solid, stress strain -> static analysis. Następnie nadaliśmy: obciążenie belki własnym ciężarem. 6
warunki brzegowe dla powierzchni neutralnych obciążenie 100kg na zadaną powierzchnię utwierdzenie 7
Po wypełnieniu danych, przeliczyliśmy siatkę. Wszystkie w/w operacje zostały wykonane również dla belki dwuteowej, jednak nie zamieszczamy ich, ponieważ wyglądały identycznie. 1.4 Wyniki: Maksymalne naprężenia w miejscu utwierdzenia belki teowej wyniosły 258.046 MPa, a maksymalne ugięcie 0,005796 m, czyli 5,796mm. 8
Maksymalne naprężenia w miejscu utwierdzenia belki dwuteowej wyniosły 24,5 MPa, a maksymalne ugięcie 0,0559 mikrometra. 9
1.5 WNIOSKI: liczne uproszczenia w metodzie analitycznej tj. sprowadzanie działania ciśnienia do siły skupionej w punkcje powodują zmniejszenie nakładu czasu na obliczenia, natomiast powodują również niedokładności rozbieżności wyników wynikać mogą również z błędnie dobranych wartości momentów bezwładności dla profili teowych i dwuteowych 2. Przepływ ciepła 2.1 Przygotowanie do wykonania symulacji Jako doświadczenie z przepływu ciepła, postanowiliśmy sprawdzić jak mocno nagrzeje się wazówka zanurzona w zupie. Wykonaliśmy symulacje dla stalowej wazówki i zrobionej z tworzywa sztucznego. Na potrzeby doświadczenia zamodelowaliśmy wazówkę w programie Catia V5R20. 10
Plik zapisany w formacie IGES, zaimportowaliśmy do programu Comsol i nadaliśmy materiał, w tym wypadku stal. Kolejnym krokiem było nadanie warunków początkowych: Izolazji termicznej dla części nie zanurzonych w zupie, Temperatury 333.15 K, czyli 60 stopni Celsjusza, powierzchniom zanurzonym. Powyższe kroki wykonaliśmy także dla polietylenu jako materiału wazówki. 11
2.2 Wyniki symulacji i ich analiza Wyniki symulacji analizujemy dla 100 i 360 sekund. Po 100 sekundowej symulacji okolice uchwytu, stalowej wazówki, mają temperaturę w okolicach 318 stopni Kelwina, co daje około 45 stopni Celsjusza. Spokojnie można operować wazówką o uchwycie w tej temperaturze. Po czasie 360 sekund, uchwyt osiągnął temperaturę bliską temperatury zupy, czyli ok 60 stopni Celsjusza. Temperatura w całym detalu praktycznie się wyrównała. Dla wazówki wykonanej z tworzywa sytuacja wyglądała trochę inaczej. 12
Po 100 sekundowej symulacji transferu ciepła, temperatura uchwytu została podgrzana jedynie o jeden stopień Kelwina. Po 360 sekundowej symulacji, uchwyt wazówki miał temperaturę 290 K, czyli ok 17 stopni Celsjusza. 2.3 Wnioski Na podstawie tego doświadczenia, można powiedzieć że sztućce z tworzyw sztucznych są nie tylko tańsze i lżejsze ale również praktyczniejsze, ponieważ łopatek z odpowiedniego materiału możemy używać do ściągania jedzenia z patelni, bez obawy o zarysowanie powierzchni teflonowej, a na dodatek nie nagrzewają się tak jak przybory kuchenne, czy sztućce wykonane z metali. Wykonując to zadanie zapoznaliśmy się z modułem programu Comsol Multiphysic 3.4, służącym do analiz przepływu ciepła. Wiedza ta może się okazać przydatna w przyszłości, w praktyce konstrukcyjno-technologicznej. 13
3. Przepływ powietrza w zależności od rodzaju spojlera samochodowego 3.1 Wprowadzenie w założenia doświadczenia Postanowiliśmy przeanalizować wpływ różnych typów spojlerów samochodowych na przepływ powietrza podczas jazdy, a co za tym idzie, na docisk samochodu do jezdni. Symulacje wykonujemy w warunkach sztucznych, to znaczy zamykamy badany obszar od góry, aby zwiększyć widoczność poszukiwanych efektów, oraz przyjmujemy brak zewnętrznej prędkości wiatru, a zadana prędkość powietrza ma odzwierciedlać prędkość samochodu. Przeanalizujemy cztery warianty: bez spojlera, ze spojlerem tworzącym całość z bryłą auta, niski oraz wysoki spojler. W celu przeprowadzenia symulacji, zaimportowaliśmy zdjęcie Porsche 911 Turbo do Autocada 2013, obrysowaliśmy jego kontur polilinią i zapisaliśmy w formacie.dxf. Tak przygotowany rysunek zaimportowaliśmy do programu Comsol multiphysic 3.4, do modułu Fluid Dynamics -> Incompressible Navier-Stokes -> Steady-state analysis. Następnie zdefiniowaliśmy obszar symulacji, który pozwolił obserwować również przepływ za pojazdem. 14
Zdefiniowaliśmy otoczenie samochodu jako powietrze: Zdefiniowaliśmy stałą temperaturę na 21 stopni celsjusza, czyli 294 stopnie Kelvina, potrzebną do obliczeń. 15
początkową: Zdefiniowaliśmy w warunkach brzegowych wlot powietrza oraz jego prędkość Ustawiliśmy ruch po ścianach bez poślizgu (no slip). Ustawiliśmy wylot na zaznaczonej ścianie jako otwarty kontur (open boundary). 16
Wykonaliśmy obliczenia siatki mes, a następnie symulację przepływu. Wszystkie wcześniej opisane kroki wykonywaliśmy dla wszystkich typów spojlera. 3.2 Wyniki i analiza Odmiennie niż to było w poprzednich przypadkach, tutaj nie skupiamy się na otrzymanych wartościach, a na kształcie i charakterze przepływu powietrza wokół bryły samochodu, a szczególnie w okolicy spojlera. W przypadku braku spojlera, powietrze spokojnie opływa bryłę auta, nie powodując dodatkowego docisku, ale też nie zwiększając oporów ruchu. Przy niskim spojlerze, nie posiadającym wolnej przestrzeni między skrzydłem a bryłą pojazdu, jest widoczny jego wpływ na przepływ. Powoduje niewielki docisk tylnej osi, przy niewielkim wzroście oporów ruchu. 17
Spojler nie tworzący litej całości z bryłą samochodu, a przy okazji wyższy od poprzedniego, powoduje znaczne zakłócenie w przepływie i w ten sposób zapewne spore zwiększenie docisku, jednak przy tym nie rozdziela przepływu pod skrzydło i nie zwiększa nadto oporów ruchu. Ostatni analizowany typ spojlera, wysoki, powoduje dużą ingerencję w aerodynamikę auta, tym samym znacznie zwiększa docisk ale też opory ruchu. 3.3 Wnioski Powyższe doświadczenie teoretyczne, pokazuje że im większy spojler, tym większą siłę docisku może powodować, jednak jednocześnie zwiększa opory ruchu, dlatego warto dobierać tego typu gadżety odpowiednio do zastosowań naszego samochodu. Dodatkowo można zauważyć, jak wpływają różne, czasami nawet drobne detale, na aerodynamikę pojazdów. 18