FEM-modellering och analys av en elastisk komponent

Transkript

1 FEM-modellering och analys av en elastisk komponent - Laboration 2 MF102X/MF103X/MF104X/MF111X/MF112X/MF114X/MF1025 VT 2012 Ulf Sellgren KTH Maskinkonstruktion Skolan för Industriell teknik och management KEX Maskinkonstruktion, KEX IPU, Modellbaserad produktutveckling Skolan för Industriell teknik och management Februari 2012

2 LABORATION 2 MODELLERING OCH FEM-ANALYS AV EN ELASTISK KOMPONENT Grundinformation Övningen kräver Solid Edge ST3 (eller en senare version) Det är en gruppövning (2-3 personer per grupp). Övningen går ut på att göra en FEM-modell (med Solid Edge Simulation Express) av verktygsplattan i en haptisk enhet och analysera dess lägsta egenfrekvens, samt även dess vertikala styvhet, och största effektivspänning när den belastas med en vertikalkraft på 10 N från verktyget i verktygsplattans mitt (se figur 2). Laborationens syften är att: Introducera grunderna i finita elementmetoden (FEM). Öva på handhavande av komponentanalysverktyget Solid Edge Simulation Express. Prova och reflektera över några modelleringstekniska frågor. Instruktionerna för övningen ges i detta document. Som underlag till övningen används en Parasolids-fil med en färdig CAD-modell av verktygsplattan. Parasolids-filen finns under fliken Laborationer på kurshemsidan: Verktygsplatta.x_t Figur 1. Haptikenheten (till vänster) och den verktygsplatta som skall analyseras (till höger) Vertikal riktning Figur 2. Definition av vertikal riktning 1

3 Laborationens huvudmoment 1. Skriv ut denna instruktion och läs igenom den. 2. Hitta och ladda ned Parasolid-filen Verktygsplatta.x-t på kurshemsidan. 3. Starta Solid Edge, öppna ett existerande document (Verktygsplatta.x-t) ocha spara den som en Solid Edge part. 4. Inspektera physical properties för parten, tilldela parten materialet Structural steel, och uppdatera dess massegenskaper. 5. Öppna Simulation Express under menyn Tools 6. Gå igenom sekvensen för att definiera en Modal -analys, dvs att utvärdera komponentens lägsta egenfrekvenser. Gör en så grov diskretisering som möjligt (Nivå 1). 7. Dokumentera resultaten i tabellen på detta dokuments sista sida. 8. Ändra materialet till Aluminium och utför punkterna Ändra materialet till PVC och utför punkterna Ändra analystyp till Stress, dvs en defomations- och spänningsanalys, och definiera en vertikal kraft på 10N, som angriper mitt i plattan och verkar nedåt. 11. Utför en deformations- och spänningsanalys för vart och ett av de tre materialen stål, aluminium och PVC, och dokumentera resultaten i tabellen på dokumentets sista sida. 12. Utför en konvergensanalys för en av de tre spänningsanalyserna, dvs förfina elementnätet minst två gånger och logga antalet noder samt maximal deformation och maximal effektivspänning för de tre konvergensanalyserna. Skriv in resultaten på sista sidan. 13. Skriv era namn och personnummer på dokumentet och presentera resultaten för en laborationsassistent. 2

4 Att starta Solid Edge Simulation Express Figur 3. Simulation Express ligger under Tools. Under ikonen? ligger hjälptext till Simulation Express. 3

5 Att välja analystyp och bygga FEM-modellen 2: Bygg modellen 1: speca typen av FEM-analys Modal / Stress Figur 4. Välj analystyp och bygg modellen. 1 2 Figur 5. Välj den lägsta diskretiseringsgraden och välj kropp (det görs automatiskt) 4

6 Figur 5. Välj material. Figur 6. Lås fast ( face constraint ) de sex koncentriska ytor där universalledernas ändar är fästa. 5

7 Starta simuleringen och utvärdera resultaten Figur 7. Starta FEM-simuleringen. Rapport Figur 8. Att plotta, animera och skriva ut modala resultat. 6

8 En stress -analys kräver också yttre laster Figur 9. För Stress -analysen, definiera en vertikal last på 10N som verkar t.ex på den övre centrala hålranden samt en kraftriktning som ges av normalriktningen till plattans övre horisontella yta. 7

9 För att visualiser resultaten från en stress -analys väljer vi displacement / stress Rapport Figur 10. För att visuellt presentera resultaten från Stress -analysen väljer vi (togglar mellan) displacement och stress. Rapportfunktionen skriver ut alla modellata och FEM-resultat. 8

10 Resultatredovisning Egenfrekvenser, deformationer och spänningar analyseras för materialen Stål, Aluminium och PVC med den lägsta diskretiseringsgraden ( Coarse = Nivå 1) Därefter analyseras deformationer och spänningar för PVC-modellen med minst två finare diskretiseringsnivåer (t.ex nivåerna 2 och 3). Modal Stress Material Massa Antal noder f1 uz kz Max vonmises (Namn) (g) (#) (Hz) (mm) (N/mm) (MPa) Stål Aluminium PVC PVC PVC Försök upskatta noggrannheten i spänningsresultatet (Max. vonmises) och den maximala vertikala deformationen (uz) för simuleringen med den finaste (mest högupplösta) diskretiseringen och svara på följande tre frågor: Uppskattad nogrannheten i spänningsresultatet: % Uppskattad nogrannheten i deformationssresultatet: % Vad föreslår ni för modelleringsåtgärd för att öka noggrannhetn i spänningsresultaten, utan att öka antalet noder i modellen: Våra namn och personnummer? Namn, personnummer och datum: Namn, personnummer och datum: Namn, personnummer och datum: 9