Metoda elementów skończonych-projekt Ziarniak Marcin Nawrocki Maciej Mrówczyński Jakub M6/MiBM
1. Analiza odkształcenia kierownicy pod wpływem obciążenia W pierwszym zadaniu przedmiotem naszych badań będzie kierownica popularnego wśród młodych ludzi roweru typu BMX. Kierownica taka jest wyższa od pozostałych, i najczęściej wytwarzana jest z bardziej wytrzymałych materiałów (przeważnie stal Chromowo- Molibdenowa ) Porównamy tutaj odkształcenie kierownicy wykonanej z dwóch różnych materiałów. Będą to: Aluminium, oraz właśnie przytoczona wcześniej stal Chromowo- Molibdenowa (Cro-Mo 4130). Kolejność wykonywanych zadań: 1) Zamodelowanie elementu w Inventorze 2015 Obiekt zamodelowany w Inventorze
2) Do analizy obciążeń wybieramy odpowiedni moduł: StrukcturalMechanics Solid Stress-Strain Staticanalysis 3) Importujemy utworzony detal do Comsola Model w systemie Comsol 4) Określanie parametrów materiału i wprowadzenie ich do programu -stal Chromowo-Molibdenowa (Cro-Mo 4130) Parametry materiału dla stali (Cro-Mo 4130)
- Aluminium Parametry materiału dla Aluminium 5) Określamy warunki brzegowe w modelu, w naszym przypadku jest to dolna powierzchnia kierownicy Określenie warunków brzegowych
6) Określenie wartości i przyłożenia obciążenia Parametry i położenie obciążenia 7) Wygenerowanie siatki modelu (18855 elementów) Siatka modelu
8) Rozwiązanie problemu i analiza wyników - dla Aluminium Wyniki analizy dla kierownicy z aluminium - dla stali Chromowo-Molibdenowej (Cro-Mo 4130) Wyniki analizy dla kierownicy ze Stali (Cro-Mo 4130)
Na samym końcu zwiększyliśmy liczbę elementów skończonych w naszym elemencie, aby uzyskać lepszą dokładność rozwiązania. Wygenerowaliśmy siatkę zawierającą 62376 elementów skończonych, po rozwiązaniu problemu otrzymaliśmy takie oto rozwiązanie: Wyniki analizy dla kierownicy ze Stali (Cro-Mo 4130) ze zwiększoną liczbą elementów skończonych Jak widać wynik zasadniczo się nie zmienił : na początku maksymalne przemieszczenie mieliśmy rzędu 1,352e 5, po zagęszczeniu siatki otrzymaliśmy przemieszczenie 1,375e 5. Tak więc, różnica jest bardzo mała, i na potrzeby naszych doświadczeń w zupełności wystarczy siatka wygenerowana na samym początku, nie potrzeba zwiększać zagęszczenia, gdyż powoduje to znaczny wzrost czasu wykonywania obliczeń przez program.
2. Analiza przepływu płynu przez rurę PCV z dziurą Przedstawienie problemu Zadanie polega na zbadaniu przepływu płynu, w tym konkretnym przypadku wody przez uszkodzoną rurę PCV z dziurą. Zdjęcie badanego elementu W przedmiocie występuje przepływ laminarny cieczy czyli taki, w którym płyn przepływa w równoległych warstwach, bez zakłóceń między nimi. Parametr na podstawie, którego można wnioskować rodzaj przepływu nazywany jest Liczbą Reynolds'a i jest bezwymiarowy. Parametry wyjściowe: gęstość cieczy: ρ = 1000 kg/m 3 lepkość dynamiczna: ƞ = 10 4 Pa*s
W celu analizy problemu program Comsol wykorzystuje następujące równania: Określenie materiału(woda) Warunki brzegowe: 1) dla wlotu do rury
2) dla dziury w rurze 3) dla wylotu z rury
Element z nałożoną siatką Wizualizacja wyników pomiaru Wnioski: Analizując przepływ cieczy można zauważyć, że jest on stosunkowo płynny. Zwiększenie prędkości następuje po przepłynięciu płynu przez załamanie z prawej strony przy jednoczesnej niewielkiej jego prędkości przy samych ściankach przedmiotu. Z lewej strony, w miejscu gdzie znajduje się dziura w rurze oraz poniżej widać wyraźnie, że prędkość przepływu cieczy jest minimalnie wyższa w stosunku do środkowej części, a następnie powyżej uszkodzenia jest ona nieco niższa lub bliska zeru.
3. Analiza ruchu powietrza Tematyką analizy jest ruch powietrza wylatującego przez otwarte okno. Ruch odbywa się od strony prawej do lewej. Parametry wyjściowe: gęstość powietrza: ρ = 1,2 kg/m 3 lepkość dynamiczna: ƞ = 2*10 3 Pa*s Model przedstawionej sytuacji Warunki brzegowe: 1)
2) Przedmiot badań z nałożoną siatką Rezultaty analiz Wizualizacja wyników pomiaru
Wnioski: Analizując obraz wygenerowany przez symulator widać, że powietrze zachowuje się dość charakterystycznie. Zauważyć można tworzący się niewielki wir powietrzny, gdzie prędkość poruszającego się powietrza jest nieco wyższa z wyłączeniem punktu w środku wiru. Jednak najwyższą jej wartość można zanotować w momencie, gdy strumień powietrza zbliża się do miejsca, gdzie okno jest otwarte, a maksymalną wartość osiąga na końcu wylotu.
4. Analiza przepływu ciepła w kielichu Symulacja opisana poniżej ma na celu analizę rozkładu temperatury w kielichu po nalaniu do niego wody o temperaturze 373K. Dane wyjściowe: Materiał kielicha: szkło sodowe Temperatura początkowa: 293K Temperatur cieczy: 373K Model 3D kielicha Model 3D kielicha przygotowany w programie Inventor Po zaimportowaniu do programu COMSOL modelu przedmiotu następuje zdefiniowanie materiału z jakiego jest wykonany. Wprowadzony parametry związane są ze szkłem sodowym. Wprowadzenie parametrów dla materiału kielicha
Następnym krokiem było ustalenie temperatury początkowej. Określenie temperatury początkowej Ustawienie temperatury docelowej czyli wlewanego płynu oraz czasu trwania procesu w symulatorze. Ustawienie temperatury docelowej
Ustalenie czasu trwania procesu Do przeprowadzenia analizy koniecznie jest nałożenie siatki na wirtualny przedmiot, w którym chcemy sprawdzić przepływ ciepła. Kielich z nałożoną siatką
Wizualizacja otrzymanych wyników Przedstawienie wyników w tzw. plastrach Wnioski: Materiał, z którego wykonany jest kielich zapewnia bezpieczne jego objęcie jedynie u jego podstawy oraz nieco wyżej. Zastosowany materiał zapewnia dość swobodny przepływ ciepła. Temperatura dzbana osiąga temperaturą bliską tej, którą ma wlewana woda, która spowodowała nagrzanie przedmiotu. Materiał z jakiego wykonany jest kielich nie powinien być wykorzystywany, jeśli celem przedmiotu będzie przechowywanie w nim gorących cieczy.