Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

Symulacje sprzężone kojarzą się z niebywale wymagającymi zagadnieniami zarówno pod względem sprzętowym jak i od strony poziomu wiedzy naukowej użytkownika. Fizyka co prawda jest wymagająca ale ANSYS już mniej. W poniższym artykule zaprezentuję przykład silnie sprzężonej analizy termomechanicznej tarczy hamulca rowerowego. Symulacja ma na celu wyznaczenie rozkładu naprężeń, przemieszczeń oraz temperatury w trakcie procesu hamowania.

Sposoby modelowania zagadnień sprzężonych

Carousel

Tworząc symulacje wytrzymałościowe obiektów rzeczywistych często należy uwzględnić wpływ zmiany temperatury obiektu na stan naprężenia. Założenie zmiany temperatury może być wykonane na kilka sposobów:

  • Najprostszym z nich jest przyjęcie stałej wartości temperatury na całym modelu (rozkład jednorodny), różnej od temperatury referencyjnej, co w ANSYS Workbench może być wprowadzone bezpośrednio z poziomu symulacji mechanicznej za pomocą warunku Thermal Condition.
  • Drugim sposobem jest wykonanie symulacji przepływu ciepła poprzedzającej analizę mechaniczną. Za jej pomocą użytkownik jest w stanie otrzymać niejednorodny rozkład temperatury, który pozwoli na dokładne uwzględnienie odkształceń termicznych w analizie mechanicznej. Metoda ta nazywana jest słabym sprzężeniem termomechanicznym i pozwala na symulację zdecydowanej większości zagadnień inżynierskich. Sprzężenie słabe w tym przypadku oznacza wpływ zmiany temperatury na stan naprężenia i deformacji oraz brak wpływu deformacji na rozkład temperatury. Dzięki temu podejściu symulacja mechaniczna i przepływu ciepła mogą być wykonane osobno, co znacząco wpływa na redukcję czasu symulacji i potrzebnych zasobów sprzętowych. Niestety, podejście to nie pozwala na odwzorowanie szeregu procesów fizycznych, w których zmiany mechaniczne powodują generowanie się ciepła. Przykładami tego typu zjawisk są tarcie, tłumienie termosprężyste, dyssypacja energii wskutek odkształceń plastycznych itp. Aby przeanalizować powyższe zjawiska należy wykorzystać silne sprzężenie termomechaniczne, które polega na wykonaniu pojedynczej symulacji w której stopnie swobody termiczne są bezpośrednio powiązane z stopniami swobody przemieszczeń. Wykonanie takiej symulacji wymaga większych zasobów sprzętowych, co jest spowodowane koniecznością wykorzystania solver’a typu Direct oraz rozwiązywania układu opisanego macierzami niesymetrycznymi, jednakże pozwala na wykonanie symulacji najbardziej zbliżonej do rzeczywistości.

  ANSYS Workbench

Rys. 1. Nowe schematy symulacji sprzężonej w ANSYS Workbench.

  • Najlepiej rzeczywistość oddają tzw. symulacje silnego sprzężenia termomechanicznego. Do wersji ANSYS 2019 R3 były możliwe tylko z poziomu języka APDL i z wykorzystaniem sprzężonych elementów skończonych SOLID226/227. Wiązało się to z koniecznością wprowadzania ustawień i warunków brzegowych za pomocą komend, co stanowiło barierę dla początkujących użytkowników oprogramowania. Od nowej wersji symulacja ta w formie nowego schematu została wprowadzona do Workbench’a. Teraz wszystkie opcje symulacji dotyczące np. uwzględnienia macierzy tłumienia termomechanicznego oraz stopni swobody, które mają być analizowane w stanie nieustalonym, mogą być ustawione z poziomu aplikacji ANSYS Mechanical. W nowym schemacie mamy również dostęp do wszystkich warunków brzegowych związanych z symulacją naprężeń i przepływu ciepła. Dodatkowo użytkownik ma dostęp do monitorowania rozkładów przemieszczeń, naprężeń i temperatury w trakcie trwania obliczeń, co jest szczególnie istotne w trakcie długotrwałych symulacji stanów nieustalonych.

Symulacja hamulca rowerowego - geometria, siatka elementów skończonych, definicja modelu

Do celów symulacji założono prędkość początkową roweru - 20 km/h, oraz czas hamowania - 3 s. Aby otrzymać rzeczywiste parametry hamowania związane z siłami oddziałującymi na tarczę uwzględniono masę roweru oraz rowerzysty oraz masę i masowy moment bezwładności kół. Powyższe elementy skupiono do zastępczego masowego momentu bezwładności i przyłożono do otworów montażowych tarczy za pomocą warunku Point Mass (punk masowy). Siłą obciążającą model była siła nacisku klocka na tarczę obliczona na podstawie średnicy tarczy oraz współczynnika tarcia – 0.4. Dodatkowo na tarczę założono konwekcyjne warunki brzegowe aby zasymulować możliwość oddawania ciepła do otoczenia. Aby zmniejszyć rozmiar modelu zastosowano warunek symetrii. Model został zdyskretyzowany regularną siatką elementów skończonych typu HEX (749 tys. węzłów i 141 tys. elementów) oraz opisany elementami sprzężonymi SOLID226.

TarczaCAD1 TarczaCAD2

 Rys. 2. Tarcza hamulca rowerowego z fragmentem klocka hamulcowego.

Tarcza model MESRys. 3. Warunki brzegowe.

Tarcza siatka MES 1 Tarcza siatka MES 2

 Rys. 4. Siatka elementów skończonych.

Czas końcowy symulacji został ustawiony na 3.2 s. aby wskazać rozkłady temperatury i naprężeń po zatrzymaniu roweru. W modelu musiały być uwzględnione efekty dynamiczne po stronie przepływu ciepła oraz mechaniki. Krok całkowania po czasie został ustalony na poziomie pozwalającym uniknąć wystąpienia niekorzystnych zjawisk termicznych (Thermal Undershoot) oraz dobrze uwzględniającym zmiany położeń tarczy. Wyniki symulacji w formie animacji zostały zamieszczone poniżej.

 
 

Podsumowanie

Powyższa symulacja byla wykonana w przeciągu dwóch dni: uproszczenie geometrii, stworzenie siatki elementów skońćzonych oraz definiczja modelu.

ANSYS Workbench umożliwia wykonywanie najbardziej złożonych symulacji termomechanicznych w wygodnym dla użytkownika interfejsie z pełnymi możliwościami pre- i post- processingu, a także monitorowaniem symulacji w trakcie jej trwania.

Autor: Marcin Hatłas

 

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA