Laboratorium MES Projekt
Transkrypt
Laboratorium MES Projekt
Laboratorium MES Projekt COMSOL Multiphysics Prowadzący: dr hab. inż. Tomasz Stręk Wykonał: Mateusz Janus Grupa: M3 Kierunek: MiBM Wydział: BMiZ Semestr: V 1. Rozkład temperatury w nagrzewanej patelni karbowanej z żeliwa. Analizie poddano patelnie z żeliwa szarego o grubości ścianki 5mm. Będzie to patelnia z żebrami od wewnątrz(patelnia do grillowania). Ocenino jak nagrzeje się rączka patelni. Parametrami zadanymi będzie temperatura na dnie patelni oraz temperatura otoczenia do którego patelnia będzie oddawała ciepło. Rysunek 1.1 Przykładowa patelnia z żeliwa Rysunek 1.2 Patelnia zamodelowana [www.e-swiatkuchni.pl] Pierwszym etapem było stworzenie modelu patelni. Wykorzystano do tego program CATIA. Do badania przepływu ciepła wykorzystano moduł 3D : Heat Transfer Module/ General Heat Transfer/ Transient analysis. Rysunek1.3 Wybór modułu Poniższa analiza zostanie przeprowadzona w oparciu o równanie przewodzenia ciepła: Niewiadome w równaniu takie jak gęstość, ciepło właściwe, współczynnik przewodności cieplnej wprowadzono na samym początku. Są to parametry związane z materiałem z którego jest wykonany analizowany element. Dla żeliwa : wsp. przewodzenia ciepła: λ=51,5 [w/(m*K] gęstość : ρ=7000 [kg/m^3] ciepło właściwe Cp=540 [J/(kg*K)] Rysunek 1.4 Parametry materiału Na rysunku po lewej stronie jest pokazana zakładka z temperaturą na początku procesu równą: T(t0)= 293,15 [K] = 20 0C Warunki brzegowe ustawiliśmy na dnie patelni oraz na całej pozostałej powierzchni gdzie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem. na dnie patelni „Temperature” T0 = 513,15 [K] = 240 0C na pozostałej części patelni „Heat flux” Tinf = 293,15 [K] = 20 0C w osi symetrii zastąpiliśmy izolacją „Thermal insulation” Rysunek 1.4 Jeden z ustawionych warunków brzegowych W zakładce Solver Parameters ustawiano czas analizy. Zostało ustawione 600 s czyli 10 min. Przy próbie analizy całej patelni, miałem problem z wyświetleniem wyników za względu na zbyt małą ilość pamięci.( przy jednokrotnym zagęszczeniu siatki uzyskano 59 tyś. elementów). W związku z tym że patelnia jest symetryczna przeprowadzono badania dla połówki patelni, co umożliwiło znacznie zmniejszyć ilość elementów. Rysunek1.5 Wygenerowana siatka trójkątów, Ne= 18507, Ndof= 37221 Wyniki: Grafiki z rozkładem temperatury po różnych czasach po 5 sekundach po 20 sekundach po 100 sekundach po 300 sekundach po 600 sekundach Wnioski: Na przedstawionych ilustracjach można zobaczyć rozchodzenie się temperatury od spodu patelni na ścianki, a potem do uchwytu. Według danych odczytanych z programu można zauważyć, że rękojeść bardzo długo utrzymują swoją temperaturę otoczenia. Po 300 sekundach temperatura na końcu rękojeści nieznacznie wzrasta do 20,610C , wyraźny wzrost temperatury na końcu uchwytu możemy dostrzec po 10 min temperatura wtedy osiąga wartość 25,370C. Możemy stwierdzić, że żeliwna rękojeść w tym kształcie dobrze odprowadza ciepło przez co się powoli nagrzewa, a nawet po długim czasie nie osiągnęła temperatury która mógłby spowodować poparzenie dłoni. 2. Analiza odkształceń i naprężeń w kluczu imbusowym Przeprowadzono analizę klucza imbusowego o rozmiarze 10 mm. Tego typu klucze są często stosowane do odkręcania śrub w samochodach, rowerach, sprzęcie RTV/AGD. W nasze symulacji obciążono go siłą 100 N wzdłuż jednej z dłuższych krawędzi. Wymiary klucza: a=60mm b=300mm Jak w poprzednim przypadku do zamodelowania elementu wykorzystałem program Catia. Rysunek 2.2 Wymiary narzędzia, model w programie Catia. Do przeprowadzenia analizy wykorzystano moduł do badań obciążeń statycznych: Structural Mechanics / Solid, Stress-Strain/ Static Analysis. Po zaimportowaniu modelu określiłem warunki brzegowe i parametry materiału. Jako materiał wzięto stal więc parametry wynosiły: moduł Younga E=2,05*1011 [Pa]; współczynnik Poissona v=0,3 ; gęstość p=7850 kg/m3. Rysunek 2.3 Dane materiałowe W celu ustawienia warunków brzegowych skorzystałem z dwóch zakładek Boundary Settings i Edge Settings. Jako utwierdzenie wziąłem sześć powierzchni które wchodzą w śrubę. Siała przyłożona na krawędzi miała wartość 100N, w związku z tym ze była przyłożona na krawędzi o długości 0,3 m , więc Fx=333 N Rysunek 2.4 Warunek brzegowy na krawędzi Rysunek2.5 Wygenerowana siatka trójkątów, Ne= 2401, Ndof= 12768 Dla tak zdefiniowanych parametrów klucz poddałem analizie. Wyniki: Rysunek 2.6 Rozkład naprężeń w całym kluczu Rysunek 2.7 Rozkład naprężeń w części skręcanej Rysunek 2.8 Odkształcenia klucza Wnioski: Wyniki rozkładu naprężeń wyszły zgodnie z oczekiwaniami. W części skręcanej są równomiernie rozłożone naprężenia, a w drugiej części która jest zginana widać malejące naprężenia w kierunku końca klucza. Maksymalne naprężenia wyniosły 259,9 MPa i pojawiły się w miejscu zakończenia utwierdzenia. Maksymalne odkształcenie końca klucza wyniosło 5,06 mm. W przypadku wykonania imbusu z lepszych gatunków stali powinien wytrzymać wyliczone naprężenia, lecz zalecałbym nie obciążanie go tak duża siła. 3. Analiza przepływu cieczy wokół naboju. Przeprowadzimy analiza opływu powietrza wokół naboju z pistoletu maszynowego Rysunek 3.1 Nabój [www.101airborne.pl] Do tej symulacji zastosowano moduł 2D: F luid dynamics/ Incompressible Navier-Stokes. Rysunek 3.2 Wybrany moduł programu Rysunek naboju stworzyłem w programie AutoCAD, obrysowując kontur z obrazka. Następnie zaimportowałem do programu. Rysunek 3.3 Model naboju z dorysowanym przestrzenią w której leci nabój. W analizie wykorzystuje się równanie Naviera-Stokesa. W równaniu wymaganymi parametrami są gęstość, lepkość dynamiczna. Podajemy te parametry dla cieczy w której przemieszcza się nabój. Nasz nabój przemieszcza się w powietrzu więc te parametry wynoszą: ρ = 1.168 [kg/m3] η = 1/Re [Pa*s] Liczba Reynoldsa (Re) zależna od wielu rzeczy, niestety w symulacjach musimy ją często ograniczyć w związku z możliwościami obliczeniowymi( przyjęliśmy Re= 1500). Rysunek 3.4 Ustawianie parametrów cieczy Rysunek 3.5 Ustawienie prędkości wejścia i ściany wylotu Mimo iż naboje lecą zazwyczaj z większa prędkością my przeprowadzimy symulację dla 40m/s, jest to spowodowane podobnie jak w przypadku liczy Reynoldsa ograniczonymi możliwościami obliczeniowymi. Więc ustawiliśmy na lewej ściance wlot, na prawej wylot powietrza. Tworząc siatkę trójkątów najpierw dokonaliśmy zgrubnego podziału, a potem jednokrotnie zagęściliśmy. Rysunek 3.6 Wygenerowana siatka trójkątów, Ne=24608, Ndof= 73137 Wyniki analizy: Rysunek 3.7 Rozkład prędkości wokół naboju. Rysunek 3.8 rozkład ciśnienia. Wnioski: Można zobaczyć, że prędkość maleje bardzo blisko ścianki naboju. Ponieważ nabój jest zakończony ostrym ścięciem, prędkość za jego tylną ścianką wynosi 0 m/s. Dalej za elementem widoczne są zawirowania powietrza. Na kolejnej ilustracji widać rozkład ciśnienia. Największe ciśnienie pojawia się na czole pocisku o wartości 563 Pa . Natomiast podciśnienie w miejscu oznaczonym strzałką (-211Pa), oraz za pociskiem. Zmniejszenie oporów naboju można było by uzyskać przez łagodniejsze przejścia między różnymi średnicami, oraz zaokrąglone zakończenie, lecz takie zmiany nie zawsze są możliwe do uzyskania co jest związane z konstrukcją broni.