INSTYTUT FIZYKI JADROWEJ im. Henryka Niewodniczanskiego Polskiej Akademii Nauk ul. Radzikowskiego 152, Kraków.

Podobne dokumenty
Projekt małego teleskopu SST DC i prowadzone prace konstrukcyjne

WYNIKI OBLICZEN MASZT KRATOWY MK-6.0/CT. Wysokość = 6.0 m

Analiza stanu przemieszczenia oraz wymiarowanie grupy pali

Przykład obliczeniowy wyznaczenia imperfekcji globalnych, lokalnych i efektów II rzędu P3 1

WYNIKI OBLICZEN MASZT KRATOWY MK-3.0/CT. Wysokość = 3.0 m

OPTYMALIZACJA ZBIORNIKA NA GAZ PŁYNNY LPG

Rys. 1. Obudowa zmechanizowana Glinik 15/32 Poz [1]: 1 stropnica, 2 stojaki, 3 spągnica

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI WYSIĘGNIKA ŻURAWIA TD50H

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

KOMPUTEROWE MODELOWANIE I OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZBIORNIKÓW NA GAZ PŁYNNY LPG

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

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

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Optymalizacja wież stalowych

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH

Metoda Elementów Skończonych - Laboratorium

WERYFIKACJA WYTRZYMAŁOŚCI KONSTRUKCJI KABINY ANTENOWEJ JEDNOSTKI JAT-122

ZASTOSOWANIE METOD OPTYMALIZACJI W DOBORZE CECH GEOMETRYCZNYCH KARBU ODCIĄŻAJĄCEGO

PROJEKT TECHNICZNY MECHANIZMU CHWYTAKA TYPU P-(O-O-O)

Analiza naprężeń w przekrojach poprzecznych segmentowych kolan stopowych rurociągów stosowanych w technologiach górniczych

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Projekt Metoda Elementów Skończonych. COMSOL Multiphysics 3.4

Symulacja Analiza_wytrz_os_kol o_prz

Symulacja Analiza_stopa_plast

Optymalizacja konstrukcji pod kątem minimalizacji wagi wyrobu odlewanego rotacyjnie studium przypadku. Dr inż. Krzysztof NADOLNY. Olandia

WERYFIKACJA SZTYWNOŚCI KONSTRUKCJI PLATFORMY MONTAŻOWEJ WOZU BOJOWEGO

Optymalizacja konstrukcji wymiennika ciepła

KOMINY MUROWANE. Przekroje trzonu wymiaruje się na stan graniczny użytkowania. Sprawdzenie należy wykonać:

Analiza możliwości ograniczenia drgań w podłożu od pojazdów szynowych na przykładzie wybranego tunelu

METODA SIŁ KRATOWNICA

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Symulacja Analiza_wytrz_kor_ra my

Pale fundamentowe wprowadzenie

Politechnika Poznańska

Modelowanie Wspomagające Projektowanie Maszyn

Autor: mgr inż. Robert Cypryjański METODY KOMPUTEROWE

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

Linie wpływu w belce statycznie niewyznaczalnej

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

ROZDZIAŁ V OBLICZE IE OBCIĄŻEŃ KLIMATYCZ YCH ODDZIAŁUJĄCYCH A BUDY EK

Rodzaje zadań w nauczaniu fizyki

PORÓWNANIE WYNIKÓW OBLICZEŃ WYTRZYMAŁOŚCI KONSTRUKCJI Z BADANIAMI STANOWISKOWYMI

PN-B-03004:1988. Kominy murowane i żelbetowe. Obliczenia statyczne i projektowanie

METODA ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2014/15

Wzór Żurawskiego. Belka o przekroju kołowym. Składowe naprężenia stycznego można wyrazić następująco (np. [1,2]): T r 2 y ν ) (1) (2)

ANALiZA WPŁYWU PARAMETRÓW SAMOLOTU NA POZiOM HAŁASU MiERZONEGO WEDŁUG PRZEPiSÓW FAR 36 APPENDiX G

Z1/7. ANALIZA RAM PŁASKICH ZADANIE 3

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

Defi f nicja n aprę r żeń

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

Struktura małego teleskopu typu Daviesa-Cottona oraz prototyp zwierciadeł w opracowaniu IFJ PAN

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

Symulacja Analiza_moc_kosz_to w

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(89)/2012

Mgr inż. Marta DROSIŃSKA Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

PRZYKŁADOWE ZADANIA. ZADANIE 1 (ocena dostateczna)

Ćwiczenie: "Kinematyka"

Metoda elementów skończonych

Informacje ogólne. Rys. 1. Rozkłady odkształceń, które mogą powstać w stanie granicznym nośności

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

SYMULACJA OBLICZENIOWA OPŁYWU I OBCIĄŻEŃ BEZPRZEGUBOWEGO WIRNIKA OGONOWEGO WRAZ Z OCENĄ ICH ODDZIAŁYWANIA NA PRACĘ WIRNIKA

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

1. Połączenia spawane

Ćwiczenie: "Ruch po okręgu"

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

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

Laboratorium LAB1. Moduł małej energetyki wiatrowej

Spis treści Przedmowa

1. POMIAR SIŁY HAMOWANIA NA STANOWISKU ROLKOWYM

Kompensatory stalowe. Produkcja. Strona 1 z 76

Połączenie wciskowe do naprawy uszkodzonego gwintu wewnętrznego w elementach silnika

LABORATORIUM. Próby ruchowe i badania stateczności żurawia budowlanego. Movement tests and stability scientific research of building crane

METODA PASM SKOŃCZONYCH PŁYTY DWUPRZĘSŁOWE

Spis treści. Przedmowa 11

Symulacja Analiza_belka_skladan a

Dwa problemy związane z jakością dróg

ĆWICZENIE NR.6. Temat : Wyznaczanie drgań mechanicznych przekładni zębatych podczas badań odbiorczych

WERYFIKACJA SZTYWNOŚCI KONSTRUKCJI PLATFORMY JEDNOSTKI RADIOLOKACYJNEJ

MODELLING AND ANALYSIS OF THE MOBILE PLATFORM UNDER ITS WORK CONDITIONS

WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA OPORU TOCZENIA I WSPÓŁCZYNNIKA OPORU POWIETRZA

1. Zebranie obciążeń na konstrukcję Oddziaływania wiatru. wg PN-EN Dane podstawowe:

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

Egzamin z MGIF, I termin, 2006 Imię i nazwisko

RAPORT Z BADAŃ NR LK /14/Z00NK

THE MODELLING OF CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OF HARMONIC DRIVE

Przykład projektowania łuku poziomego nr 1 z symetrycznymi klotoidami, łuku poziomego nr 2 z niesymetrycznymi klotoidami

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Bąk wirujący wokół pionowej osi jest w równowadze. Momenty działających sił są równe zero (zarówno względem środka masy S jak i punktu podparcia O).

prowadnice Prowadnice Wymagania i zasady obliczeń

Kołowrót -11pkt. 1. Zadanie 22. Wahadło balistyczne (10 pkt)

Transkrypt:

INSTYTUT FIZYKI JADROWEJ im. Henryka Niewodniczanskiego Polskiej Akademii Nauk ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków www.ifj.edu.pl/publ/reports/2009/ Kraków, czerwiec 2009 Raport 2029/AP Analiza deformacji 6 metrowego teleskopu CTA przy użyciu MES Michał Sienkiewicz Streszczenie Obecnie trwają prace nad projektem nowego obserwatorium promieniowania gamma - Cherenkov Telescope Array (CTA). W raporcie przedstawiono część prac zrealizowanych w IFJ PAN dla CTA. Polegały one na przeprowadzeniu przy użyciu MES (Ansys) analizy wytrzymałościowo-odkształceniowej jednego z projektowanych teleskopow - teleskop o średnicy czaszy 6 m zaproponowany przez MPI-K Heiedelberg. Obliczenia objęły analizę deformacji czaszy pod wpływem obciążenia własnego, wiatrowego i temperaturowego. Abstract At present, design of new ground-based gamma-ray observatory (the Cherenkov Telescope Array - CTA) is in progress. The report presents part of the work carried out in the IFJ PAN for the CTA. It was strength-deformation analysis of one of the designing telescopes (6 m telescope proposed by Ruben Kankanyan from MPI-K Heiedelberg). The calculations was carried out by using Finite Element Method (Ansys) and included the analysis of deformation of dish under dead, temperature and wind load.

1 Wprowadzenie Przeprowadzona została przy użyciu Metody Elementów Skończonych analiza wytrzymałościowo-odkształceniowa najmniejszego z planowanych teleskopów CTA 1. Jest to teleskop o średnicy czaszy 6 m. Jego projekt został zaproponowany przez Rubena Kankanyana z MPI-K Heidelberg (rys. 1)[2]. Rysunek 1: Proponowany przez MPI-K teleskop CTA o średnicy 6m Teleskop składa się z następujących elementów: czaszy (1), luster (2), kamery (3), masztu kamery (4), przeciw wagi (5), podstawy (6), urządzenia poruszającego (7). Obiekt ten może obracać się wokół dwóch osi: pionowej i prostopadłej do niej. Pozwala to na skierowanie czaszy teleskopu na dowolny punkt nocnego nieba. Istotne znaczenie (ze względu na odkształcenia czaszy) ma obrót wokół osi poziomej (rys. 2). Zmieniający się podczas ruchu wokół tej osi rozkład sił powoduje zmianę deformacji czaszy (rys. 3), co przekłada się na pojawienie się niepożądanych efektów optycznych (np.: rozmazanie obrazu obserwowanego obiektu). 1 Cherenkov Telescope Array - planowane obserwatorium promieniowania gamma pochodzącego z kosmosu, na które ma się składać szereg pojedynczych teleskopów o średnicach 6 m, 12 m i 24 m.[1][3] 1

Rysunek 2: Kąt obrotu α czaszy wraz z kamerą wokół osi poziomej Rysunek 3: Typowa deformacja czaszy dla α = 90 deg. 2

2 Obliczenia Główne wymaganie dla tej konstrukcji wynikało z ograniczeń optycznych i zostało sprowadzone do następującego żądania: kąt dewiacji każdego lustra musi być mniejszy niż 150 µrad [3]. Na rys. 4 przedstawiono numeracje luster ze względu na ich położenie na czaszy. Uwzględniona została symetria tego elementu teleskopu. Rysunek 4: Numeracja elementów odpowiadających lustrom - połowa czaszy Pod uwagę wzięto następujące rodzaje obciążeń: ciężar własny konstrukcji cykle temperaturowe wiatr Ponad to przeprowadzono także analizę modalną. 3

2.1 Ciężar własny Do obliczeń odkształceń połowy czaszy (symetria) wynikających ze zmiany jej pozycji użyto 160 tys. elementów skończonych (Ansys). Obciążenie wynikające z ciężaru własnego modelowane jest jako iloczyn masy każdego elementu i przyśpieszenia ziemskiego. Dodatkowo wprowadzane są siły zastępujące ciężar luster, których nie uwzględnia model geometryczny. Każde lustro podparte jest trójpunktowo, a więc uwzględniając jego ciężar (ok. 30 kg) przyjęto, że dodatkowe obciążenie w węzłach odpowiadających podparciu lustra wynosić będzie : 100 N (rys. 5). Podobnie sytuacja przedstawia się jeśli chodzi o ciężar kamery. Przyjęto, że kamera waży ok. 400 kg, a więc zadano w czterech węzłach dodatkowe obciążenie równe 1 kn. Rysunek 5: Warunki brzegowe i obciążenia zastosowane w obliczeniach Czasza została utwierdzona w dwóch punktach: w miejscu osadzenia czaszy na sworzniu po którym zachodzi obrót oraz w punkcie połączenia czaszy z siłownikiem wymuszającym jej obrót (rys. 5). Ważnym elementem wpływającym na deformacje czaszy, a także na wielkość nacisku na siłownik jest przeciwwaga. Znalezieniu optymalnej wartości przeciwwagi poświęcona została więc znaczna część analizy. Zostały przeprowadzone obliczenia dla kilku różnych wartości ciężaru przeciwwagi. Wyniki uzyskane dla tych obliczeń zobrazowane są na rys. 6 i rys. 7. 4

Rysunek 6: Dewiacje poszczególnych luster w zależności od wartości przeciwwagi po obrocie czaszy z pozycji α = 70 deg do α = 90 deg Rysunek 7: Dewiacje poszczególnych luster w zależności od wartości przeciwwagi po obrocie czaszy z pozycji α= 70 deg do α = 45 deg 5

Należy nadmienić, że obliczenia wykonane były przy założeniu, że montaż luster, a w szczególności ich justowanie odbędzie się przy położeniu czaszy dla α = 70 deg. Przyjęto zatem wartość deformacji dla tego położenia jako punkt odniesienia. Oznacza to, że deformacja podawana na wykresie jest różnicą aktualnej deformacji (np. dla α = 90 deg, rys. 6) i deformacji odniesienia (α = 70 deg). Z wykresów niezbicie wynika, że aby spełnić warunek stawiany tej konstrukcji ( tj. γ < 150 µrad dla każdego lustra ), potrzebna jest przeciwwaga o masie odpowiadającej obciążeniu co najmniej 28 kn. Ze względu na to, że moment bezwładności czaszy względem poziomej osi powinien być jak najmniejszy, ciężar przeciwwagi również powinien być jak najmnniejszy. 2.2 Wiatr Obliczenia wiatrowe zostały podzielone na dwie części. Pierwsza dotyczyła sprawdzenia czy dla przyjętej prędkości wiatru ( np. 50 km/h) możliwe są pomiary, a więc czy spełnione są wciąż wymagania, że dewiacja każdego lustra jest mniejsza od 150 µrad. Druga część natomiast miała odpowiedzieć na pytanie odnośnie przetrwania konstrukcji przy wietrze dochodzącym do 200 km/h. Rysunek 8: Kierunek wiatru w przypadku jego maksymalnego oddziaływania ( α= 45 deg) 6

W obu przypadkach do wyznaczenia siły (ciśnienia) z jaką oddziałuje wiatr o określonej prędkości na czaszę posłużono się polskimi normami [4]. Wielkość normowego obciążenia wiatrem określa wzór: w 0 = 1 16 v2 C [ ] kg m 2 gdzie: v - prędkość wiatru [m/sek] C - współczynnik opływu Jak widać z powyższego wzoru wartość obciążenia wiatrowego zależała od prędkości wiatru i od współczynnika opływu, który to zależał od kąta pochylenia teleskopu α. Wartości współczynnika C zestawione zostały w poniższej tabeli: Finalna wartość obciążenia zadawanego w węzłach obliczana była przez pomnożenie w 0 i przyjętej powierzchni lustra (1 m 2 ). Obciążenie odpowiadające jednemu lustru (trzem węzłom) w zależności od prędkości wiatru i kąta przedstawione są w poniższej tabeli: Ostatecznie uzyskano wyniki, które są zaprezentowane na rys. 9. Wykres przedstawia tylko i wyłącznie wkład obciążenia wiatrowego w dewiacje luster (przedstawiono wyniki dla 10 luster dla których dewiacje były największe bezwzględnie). 7

Rysunek 9: Dewiacje luster pod obciążeniem wiatrowym (v = 50 km/h) 2.3 Obciążenie termiczne Teleskop podczas pracy poddawany będzie typowymj dobowym zmianom temperatury. Wykonano obliczenia dla przyrostów temperatury T = 20, -20 i -40 K. Uzyskane wyniki (dewiacje poszczególnych luster w µrad) przedstawiono w poniższej tabeli: 8

Można zauważyć, że wartości odchyleń poszczególnych luster nie różnią się od siebie znacząco, a także, że są liniowo zależne od przyrostu temperatury (przyjęto stały współczynnik rozszerzalności termicznej). Pozwolono sobie zatem na uproszczone (uśrednione dla wszystkich luster) przedstawienie zależności dewiacji luster od przyrostu temperatury (rys. 10). Zakładając, że jedynie zmiany temperatury powodują dewiację luster można stwierdzić, że przyrost T powyżej 50 stopni dopiero uniemożliwia prowadzenie obserwacji. Rysunek 10: Średni wpływ temperatury na dewiacje luster 2.4 Analiza modalna Na zakończenie została przeprowadzona analiza modalna. Wg przyjętej specyfikacji dla teleskopów CTA najmniejsza częstość własna powinna być większa niż 3 Hz. Uzyskane wyniki mieszczą się w zakładanym przedziale, gdyż wynoszą: f 1 = 3.6 f 2 = 8.2 f 3 = 8.3 f 4 = 11.2... 9 [Hz] [Hz] [Hz] [Hz]

Pierwszej częstości odpowiada obrotowa postać modalna (ROTX), drugiej natomiast przemieszczenie w kierunku y (UY). Odpowiednio dla trzeciej - UX, UZ, ROTZ i czwartej - ROTY. Rysunek 11: Postać modalna dla najmniejszcej częstości własnej 2.5 Przypadek złożony Podsumowaniem przeprowadzonej analizy będzie przypadek złożony, na który składają się wszystkie typy obciążenia: wiatr, przyrost temperatury oraz ciężar własny. Obliczenia zostały przeprowadzone w celu uzyskania odpowiedzi czy w warunkach maksymalnego dopuszczalnego wiatru (50 km/h), dużej zmiany temperatury w nocy (-25 K) teleskop będzie mógł być wykorzystywany do obserwacji. Waga balansująca została przyjęta jako 35 kn. Uwzględniono dwa kierunki wiatru: wiatr wiejący czołowo (oznaczony dalej I ) i wiatr wiejący od tyłu teleskopu (II). Uzyskane wyniki (rys. 12-17) pokazują, że w założonych warunkach teleskop powinien pracować poprawnie. 10

Rysunek 12: Dewiacje luster 1-6 dla złożonego przypadku obciążenia I Rysunek 13: Dewiacje luster 7-13 dla złożonego przypadku obciążenia I Rysunek 14: Dewiacje luster 14-19 dla złożonego przypadku obciążenia I 11

Rysunek 15: Dewiacje luster 1-6 dla złożonego przypadku obciążenia II Rysunek 16: Dewiacje luster 7-13 dla złożonego przypadku obciążenia II Rysunek 17: Dewiacje luster 14-19 dla złożonego przypadku obciążenia II 12

2.6 Analiza wytrzymałościowa We wszystkich przypadkach rozważanych wcześniej naprężenia zredukowane nie przekraczały kilkudziesięciu MPa. Analiza wytrzymałościowa skoncentrowała się więc na określeniu ekstremalnego przypadku obciążenia i przeprowadzeniu dla niego obliczeń. Za najbardziej niebezpieczna dla konstrukcji sytuację przyjęto moment, gdy wiatr z prędkością 200 km/h uderza w czasze ustawioną horyzontalnie, a więc prostopadle do kierunku wiatru. Obciążenie każdego lustra w tym wypadku wynosiło 1930 N (C = 0.8). Maksymalne przemieszczenie czaszy dla takiego obciążenia wynosiło 2.6 mm. Lokalnie (w miejscach połączeń poszczególnych elementów czaszy) pojawiły się koncentracje naprężeń - naprężenia zredukowane (HMH) dochodziły do ok. 250 [MPa]. 3 Podsumowanie Została przeprowadzona analiza wytrzymałościowo-odkształceniowa jednego z proponowanych projektów teleskopów CTA. Analiza wykazała, że ów teleskop spełnia stawiane przed nim wymagania pod warunkiem zastosowania odpowiedniej przeciw wagi - nie mniejszej niż 2 x 2.5 t. Ponad to konstrukcja jest w stanie oprzeć się ekstremalnym czynnikom oddziałującym na nią pozostając w sprężystym zakresie odkształceń. 13

Literatura [1] http://www.cta-observatory.org/ [2] Ruben Kankanyan, Structure of a small telescope for CTA,CTA Meeting Padova, Nov 3-5, 2008 [3] Michael Panter, Summary of the WP meeting April 14-16, 2008 [4] PN-64 B-02011, Obciążenia wiatrem w obliczeniach statycznych 14