Metoda Elementów Skończonych - tomasz strek home page
Metoda Elementów Skończonych - tomasz strek home page
Metoda Elementów Skończonych - tomasz strek home page
- No tags were found...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Projekt<br />
<strong>Metoda</strong> <strong>Elementów</strong><br />
<strong>Skończonych</strong><br />
w programie<br />
COMSOL Multiphysics 3.4<br />
Wykonali:<br />
Helak Bartłomiej<br />
Kruszewski Jacek<br />
Wydział, kierunek, specjalizacja, semestr, rok:<br />
BMiZ, MiBM, KMU, VII, 2011-2012<br />
Prowadzący:<br />
dr hab. inż. Tomasz Stręk
Spis treści<br />
1. Analiza stanu naprężeń i odkształcenia na przykładzie sztangi olimpijskiej.<br />
• Cel analizy.<br />
• Obiekt analizy.<br />
• Przygotowanie modelu do analizy odkształcenia.<br />
• Wnioski.<br />
2. Analiza przepływu ciepła w kadzi odlewniczej wypełnionej ciekłym metalem.<br />
• Cel analizy.<br />
• Obiekt analizy.<br />
• Przygotowanie modelu do analizy przepływu ciepła.<br />
• Wnioski.<br />
3. Analiza przepływu cieczy w kolanku hydraulicznym.<br />
• Cel analizy.<br />
• Obiekt analizy.<br />
• Przygotowanie modelu do analizy przepływu cieczy.<br />
• Wnioski.
I. Analiza stanu naprężeń i odkształcenia.<br />
1. Cel analizy.<br />
Celem analizy stanu naprężenia i odkształcenia jest zbadanie odkształcenia sztangi<br />
olimpijskiej stosowanej w kulturystyce w zależności od podnoszonego ciężaru.<br />
2. Obiekt analizy.<br />
Obiektem analizy jest sztanga olimpijska stosowana w dziedzinie sportu zwanej kulturystyką.<br />
Służy ona do podnoszenia ciężarów i jest podstawowym, a zarazem niezbędnym elementem<br />
do wykonania większości ćwiczeń na siłowni.<br />
Badany obiekt – sztanga olimpijska.<br />
3. Przygotowanie modelu do analizy ugięcia.<br />
Zwymiarowany obiekt analizy – sztanga olimpijska.<br />
Analizę odkształcenia sztangi olimpijskiej przeprowadzimy za pomocą równania Lagrange’a II<br />
rodzaju, które ma postać:<br />
<br />
− ∗ = <br />
gdzie: F – wartość obciążenia, ρ – współczynnik zależny od gęstości.<br />
Jako materiał, z którego wykonana jest sztanga, przyjmujemy stal C65 o następujących<br />
parametrach: moduł Younga E = 2.05*10 11 Pa, współczynnik Poissona ν = 0.3, gęstość 7850<br />
kg/m 3 .<br />
Analizę przeprowadzimy dla obciążenia obustronnego sztangi F = 50 kg oraz F = 100 kg.<br />
Sztanga zostanie obciążona i utwierdzona tak jak pokazano na rysunku poniżej. Utwierdzenie<br />
sztangi odpowiada trzymaniu ją w rękach podczas ćwiczenia: „martwy ciąg”.<br />
Przyłożenie sił i utwierdzenie sztangi.
Widok sztangi wraz z obciążeniem.<br />
Model sztangi wykonany w programie COMSOL Multiphysics 3.4.<br />
Ustawienie parametrów materiału sztangi.
Obciążenie sztangi w osi x F x = 490 N/m 2 .<br />
Utwierdzenie sztangi w miejscu jej trzymania rękoma.<br />
Wygenerowana siatka (3029 elementów).
Maksymalne ugięcie sztangi przy obciążeniu z obu stron siłą F = 50 kg. Maksymalne ugięcie<br />
y= 44,89 mm.<br />
Maksymalne ugięcie sztangi przy obciążeniu z obu stron siłą F = 100 kg. Maksymalne ugięcie<br />
y= 89,79 mm.<br />
4. Wnioski.<br />
Przeprowadzona analiza ugięcia sztangi olimpijskiej w programie COMSOL Multiphysics 3.4<br />
potwierdziła nasze przypuszczenia dotyczące ugięcia sztangi. Przy obciążeniu 50 kg z każdej<br />
strony (100 kg łącznie) ugięcie końców sztangi wyniosło ~45 mm, przy zwiększeniu<br />
obciążenia do 100 kg z każdej strony (200 kg łącznie) sztanga ugięła się ~85 mm. Z własnego<br />
doświadczenia możemy potwierdzić otrzymane wyniki, gdyż podczas wykonywania ćwiczenia<br />
„martwy ciąg” w wąskim chwycie, przy obciążeniu 100 kg łącznie, końce sztangi przeważnie<br />
uginają się o 3 – 5 cm. Należy podkreślić, iż materiały stosowane na sztangi są materiałami<br />
posiadającymi dużą sprężystość, dlatego ugięcia rzędu 100 mm nie stanowią ryzyka trwałego<br />
odkształcenia plastycznego lub pęknięcia sztangi.
II. Analiza przepływu ciepła.<br />
1. Cel analizy.<br />
Celem analizy przepływu ciepła jest określenie temperatury kadzi odlewniczej wywołanej<br />
ciekłym wsadem - metalem.<br />
2. Obiekt analizy.<br />
Obiektem badań jest kadź odlewnicza stosowana w metalurgii i odlewnictwie metalu. Służy<br />
do transportowania, przetrzymywania i wypełniania formy odlewniczej ciekłym metalem.<br />
Badana przez nas kadź to kadź odlewnicza do metali i stopów o niskiej temperaturze<br />
topnienia.<br />
Badany obiekt – kadź odlewnicza.<br />
Zwymiarowany obiekt analizy – kadź odlewnicza.
3. Przygotowanie modelu do analizy przepływu ciepła.<br />
Analizę przepływu ciepła kadzi odlewniczej przeprowadzimy za pomocą równania<br />
przewodnictwa ciepła, które ma postać:<br />
<br />
− ∇ ∗ ∇ = <br />
<br />
gdzie: – współczynnik czasowego skalowania, ρ – gęstość, C p – pojemność cieplna, k –<br />
tensor przewodności cieplnej, Q – źródło ciepła.<br />
Materiałem kadzi jest stal przyjęta z biblioteki programu COMSOL Multiphysics 4.3 – UNS<br />
S31700, jako wsad kadzi przyjmujemy aluminium o temperaturze topnienia ~660 o C.<br />
Analizę przeprowadzimy dla kadzi wypełnionej ciekłym aluminium w czasie 600 sekund (10<br />
minut). Zakładamy temperaturę początkową kadzi 300 K.<br />
Model kadzi odlewniczej zaimportowany z programu Autodesk INVENTOR 2012 do programu<br />
COMSOL Multiphysics 3.4.<br />
Wybór materiału, z którego wykonana jest kadź.
Ustawienie temperatury nagrzewania się wewnętrznych powierzchni kadzi.<br />
Wygenerowana siatka (16483 elementów).<br />
Rozkład temperatury w kadzi po 120 sekundach.
Rozkład temperatury w kadzi po upływie 600 sekund – widok od góry.<br />
Rozkład temperatury w kadzi po upływie 600 sekund – widok od spodu.<br />
4. Wnioski.<br />
Przeprowadzona analiza przepływu ciepła ukazała nam rozkład temperatury podczas<br />
nagrzewania się kadzi odlewniczej wypełnionej ciekłym aluminium. Po 120 sekundach<br />
wewnętrzne ścianki kadzi nagrzały się do temperatury ~350 K. Po upływie 600 sekund<br />
temperatura maksymalna na wewnętrznych ściankach kadzi wyniosła 443,5 K. Z otrzymanej<br />
analizy można także zauważyć, iż dno kadzi nagrzało się w mniejszym stopniu niż ścianki<br />
boczne. Jest to wynikiem różnicy grubości ścianki dna od ścianek bocznych. Temperatura<br />
podstawy kadzi odlewniczej nie uległa zmianie i wyniosła 300 K.
II. Analiza przepływu cieczy.<br />
1. Cel analizy.<br />
Celem analizy jest zobrazowanie wpływu defektów na przepływ cieczy w kolanku<br />
hydraulicznym.<br />
2. Obiekt analizy.<br />
Obiektem badań jest kolanko hydrauliczne mosiężne. Służy ono do zmiany kierunku lub kąta,<br />
łączony ze sobą elementów instalacji hydraulicznych, co wiąże się ze zmianą kierunku lub kąta<br />
przepływu cieczy.<br />
Obiekt analizy – kolanko hydrauliczne mosiężne.<br />
Przekrój kolanka hydraulicznego wraz z wymiarami
3. Przygotowanie modelu do analizy przepływu cieczy.<br />
Analizę przepływu cieczy kolanka hydraulicznego zostanie przeprowadzona za pomocą<br />
równania Naviera-Stokesa, opisującego zasadę zachowania masy i pędu dla poruszającego się płynu.<br />
Równanie to ma postać:<br />
<br />
+ ∇u = ∇ + ∇u + ∇u + F<br />
gdzie: ∇u = 0, ρ – gęstość, T – temperatura, p – ciśnienie, – lepkość dynamicza.<br />
Analizę przeprowadzimy dwukrotnie. Najpierw dla kolanka hydraulicznego dobrego, potem<br />
dla kolanka hydraulicznego uszkodzonego podczas produkcji (pozostałości po odlewie,<br />
karby).<br />
Jako czynnika roboczego użyjemy wody o gęstości ρ = 0,997 kg/m 3 . Zakładamy prędkość na<br />
wejściu v = 2 m/s, na wyjściu ciśnienie p = 5 bar.<br />
Uproszczony model kolanka hydraulicznego utworzonego w programie COMSOL Multiphysics 3.4.<br />
Wskazanie drogi przepływu oraz ustawienie parametrów takich jak: gęstość cieczy ρ = 0,997 kg/m 3 ,<br />
dynamiczny współczynnik lepkości η = 1,79*10 -3 Pa*s.
Ustawienie wejścia i prędkości v = 2 m/s.<br />
Ustawienie wyjścia i ciśnienia p = 5 bar.<br />
Wygenerowana siatka dobrego kolanka (652 elementów).
Wygenerowana siatka uszkodzonego kolanka (760 elementów).<br />
Wynik analizy dla dobrego kolanka – maksymalna prędkość przepływu cieczy 4,6 m/s po czasie 10 s.
Wynik analizy dla kolanka uszkodzonego – maksymalna prędkość przepływu cieczy 5,6 m/s po czasie<br />
10 s.<br />
4. Wnioski.<br />
Przeprowadzona analiza zobrazowała skutki defektu kolanka hydraulicznego na prędkość<br />
przepływu cieczy. W kolanku bez defektu można zauważyć, iż maksymalna prędkość<br />
przepływu cieczy wyniosła ~4,6 m/s. Prędkość cieczy na wylocie jest stała na całej<br />
powierzchni i wynosi ~2,2 m/s. Z kolei w kolanku z defektem maksymalna prędkość<br />
przepływu cieczy wynosiła ~5,6 m/s co w porównaniu do kolanka bez defektu jest wartością<br />
o 1 m/s większą i zlokalizowaną mniej więcej w tym samym miejscu. Prędkość cieczy na<br />
wylocie jest różna z lewej strony wartość prędkości wynosi ~ 2 m/s, z prawej ~3,5 m/s.