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.