Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston so-veltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti rootto-rin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitu-losten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dyna-miikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin ele-menttimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysja-kaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan ana-lysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saa-tiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Dynamic modeling and simulation of the airflow cleaning device

The objective of the work is to study the flow behavior and to support the design of air cleaner by dynamic simulation.In a paper printing industry, it is necessary to monitor the quality of paper when the paper is being produced. During the production, the quality of the paper can be monitored by camera. Therefore, it is necessary to keep the camera lens clean as wood particles may fall from the paper and lie on the camera lens. In this work, the behavior of the air flow and effect of the airflow on the particles at different inlet angles are simulated. Geometries of a different inlet angles of single-channel and double-channel case were constructed using ANSYS CFD Software. All the simulations were performed in ANSYS Fluent. The simulation results of single-channel and double-channel case revealed significant differences in the behavior of the flow and the particle velocity. The main conclusion from this work are in following. 1) For the single channel case the best angle was 0 degree because in that case, the air flow can keep 60% of the particles away from the lens which would otherwise stay on lens. 2) For the double channel case, the best solution was found when the angle of the first inlet was 0 degree and the angle of second inlet was 45 degree . In that case, the airflow can keep 91% of particles away from the lens which would otherwise stay on lens.

Investigations on Structural response of Water Backed Perforated plates

The study envisaged herein contains the numerical investigations on Perforated Plate (PP) as well as numerical and experimental investigations on Perforated Plate with Lining (PPL) which has a variety of applications in underwater engineering especially related to defence applications. Finite element method has been adopted as the tool for analysis of PP and PPL. The commercial software ANSYS has been used for static and free vibration response evaluation, whereas ANSYS LS-DYNA has been used for shock analysis. SHELL63, SHELL93, SOLID45, SOLSH190, BEAM188 and FLUID30 finite elements available in the ANSYS library as well as SHELL193 and SOLID194 available in the ANSYS LS-DYNA library have been made use of. Unit cell of the PP and PPL which is a miniature of the original plate with 16 perforations have been used. Based upon the convergence characteristics, the utility of SHELL63 element for the analysis of PP and PPL, and the required mesh density are brought out. The effect of perforation, geometry and orientation of perforation, boundary conditions and lining plate are investigated for various configurations. Stress concentration and deflection factor are also studied. Based on these investigations, stadium geometry perforation with horizontal orientation is recommended for further analysis.Linear and nonlinear static analysis of PP and PPL subjected to unit normal pressure has been carried out besides the free vibration analysis. Shock analysis has also been carried out on these structural components. The analytical model measures 0.9m x 0.9m with stiffener of 0.3m interval. The influence of finite element, boundary conditions, and lining plate on linear static response has been estimated and presented. Comparison of behavior of PP and PPL in the nonlinear strain regime has been made using geometric nonlinear analysis. Free vibration analysis of the PP and PPL has been carried out ‘in vacuum’ condition and in water backed condition, and the influence of water backed condition and effect of perforation on natural frequency have been investigated.Based upon the studies on the vibration characteristics of NPP, PP and PPL in water backed condition and ‘in vacuum’ condition, the reduction in the natural frequency of the plate in immersed condition has been rightly brought out. The necessity to introduce the effect of water medium in the analysis of water backed underwater structure has been highlighted.Shock analysis of PP and PPL for three explosives viz., PEK, TNT and C4 has been carried out and deflection and stresses on plate as well as free field pressure have been estimated using ANSYS LS-DYNA. The effect of perforations and the effect of lining plate have been predicted. Experimental investigations of the measurement of free field pressure using PPL have been conducted in a shock tank. Free field pressure has been measured and has been validated with finite element analysis results. Besides, an experiment has been carried out on PPL, for the comparison of the static deflection predicted by finite element analysis.The distribution of the free field pressure and the estimation of differential pressure from experimentation and the provision for treating the differential pressure as the resistance, as a part of the design load for PPL, has been brought out.

Performance Assessment of Sandwich Structures with Debonds and Dents

A sandwich construction is a special form of the laminated composite consisting of light weight core, sandwiched between two stiff thin face sheets. Due to high stiffness to weight ratio, sandwich construction is widely adopted in aerospace industries. As a process dependent bonded structure, the most severe defects associated with sandwich construction are debond (skin core bond failure) and dent (locally deformed skin associated with core crushing). Reasons for debond may be attributed to initial manufacturing flaws or in service loads and dent can be caused by tool drops or impacts by foreign objects. This paper presents an evaluation on the performance of honeycomb sandwich cantilever beam with the presence of debond or dent, using layered finite element models. Dent is idealized by accounting core crushing in the core thickness along with the eccentricity of the skin. Debond is idealized using multilaminate modeling at debond location with contact element between the laminates. Vibration and buckling behavior of metallic honeycomb sandwich beam with and without damage are carried out. Buckling load factor, natural frequency, mode shape and modal strain energy are evaluated using finite element package ANSYS 13.0. Study shows that debond affect the performance of the structure more severely than dent. Reduction in the fundamental frequencies due to the presence of dent or debond is not significant for the case considered. But the debond reduces the buckling load factor significantly. Dent of size 8-20% of core thickness shows 13% reduction in buckling load capacity of the sandwich column. But debond of the same size reduced the buckling load capacity by about 90%. This underscores the importance of detecting these damages in the initiation level itself to avoid catastrophic failures. Influence of the damages on fundamental frequencies, mode shape and modal strain energy are examined. Effectiveness of these parameters as a damage detection tool for sandwich structure is also assessed

Strength Predictions of Hat Stiffened Plate

Hat Stiffened Plates are used in composite ships and are gaining popularity in metallic ship construction due to its high strength-to-weight ratio. Light weight structures will result in greater payload, higher speeds, reduced fuel consumption and environmental emissions. Numerical Investigations have been carried out using the commercial Finite Element software ANSYS 12 to substantiate the high strength-to-weight ratio of Hat Stiffened Plates over other open section stiffeners which are commonly used in ship building. Analysis of stiffened plate has always been a matter of concern for the structural engineers since it has been rather difficult to quantify the actual load sharing between stiffeners and plating. Finite Element Method has been accepted as an efficient tool for the analysis of stiffened plated structure. Best results using the Finite Element Method for the analysis of thin plated structures are obtained when both the stiffeners and the plate are modeled using thin plate elements having six degrees of freedom per node. However, one serious problem encountered with this design and analysis process is that the generation of the finite element models for a complex configuration is time consuming and laborious. In order to overcome these difficulties two different methods viz., Orthotropic Plate Model and Superelement for Hat Stiffened Plate have been suggested in the present work. In the Orthotropic Plate Model geometric orthotropy is converted to material orthotropy i.e., the stiffeners are smeared and they vanish from the field of analysis and the structure can be analysed using any commercial Finite Element software which has orthotropic elements in its element library. The Orthotropic Plate Model developed has predicted deflection, stress and linear buckling load with sufficiently good accuracy in the case of all four edges simply supported boundary condition. Whereas, in the case of two edges fixed and other two edges simply supported boundary condition even though the stress has been predicted with good accuracy there has been large variation in the deflection predicted. This variation in the deflection predicted is because, for the Orthotropic Plate Model the rigidity is uniform throughout the plate whereas in the actual Hat Stiffened Plate the rigidity along the line of attachment of the stiffeners to the plate is large as compared to the unsupported portion of the plate. The Superelement technique is a method of treating a portion of the structure as if it were a single element even though it is made up of many individual elements. The Superelement has predicted the deflection and in-plane stress of Hat Stiffened Plate with sufficiently good accuracy for different boundary conditions. Formulation of Superelement for composite Hat Stiffened Plate has also been presented in the thesis. The capability of Orthotropic Plate Model and Superelement to handle typical boundary conditions and characteristic loads in a ship structure has been demonstrated through numerical investigations.

Anàlisi estructural de voltes ceràmiques i patologies de l’ església de Sant Narcís

Aquest treball analitza dues tipologies de voltes (la volta de quatre punts i la volta de maó de pla o cúpula seimiesfèrica) , situades a l’església de Sant Narcís a Girona, amb la finalitat d’establir un model de mesura i estudi aproximat de la seva capacitat portant. L’abast del projecte es pot dividir en tres grans blocs: el primer, desenvolupa l’origen tècnic i històric de les voltes i del barri de Sant Narcís; el segon, tracta de la composició de materials i elements, duent a terme una anàlisi constructiva i patològica que defineix les característiques, ordre i deficiències de diferents elements i materials que formen part de l’edifici; i el tercer bloc tracta del càlcul estructural, on es realitzen diferents modelitzacions d’una de les voltes de quatre punts i de la volta semiesfèrica de l’església de Sant Narcís, amb la fi de verificar i trobar el model més apropiat per dur a terme una anàlisi, mitjançant el programa de càlcul ANSYS

Modelització numèrica d’un sistema de descàrrega d’una columna de la catedral d Girona mitjançant el mètode dels elements finits (anàlisi no lineal)

Aquest projecte consisteix en aplicar el càlcul no lineal en la modelització volumètrica numèrica de l’estructura del sistema de descàrrega d’una columna del claustre de la catedral de Girona mitjançant el mètode dels elements finits. A la Universitat de Girona s’ha fet diferents estudis del claustre de la catedral de Girona però sempre simulant un comportament lineal de les característiques dels materials. El programa utilitzat és la versió docent del programa ANSYS disponible al Dept. d’EMCI i l’element emprat ha sigut el SOLID65. Aquest element permet introduir característiques de no linealitat en els models i és adequat per a anàlisi no lineal d’elements com la pedra de Girona

Dynamic modelling of a wind catcher/tower turret for natural ventilation

This paper discusses experimental and theoretical investigations and Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling considerations to evaluate the performance of a square section wind catcher system connected to the top of a test room for the purpose of natural ventilation. The magnitude and distribution of pressure coefficients (C-p) around a wind catcher and the air flow into the test room were analysed. The modelling results indicated that air was supplied into the test room through the wind catcher's quadrants with positive external pressure coefficients and extracted out of the test room through quadrants with negative pressure coefficients. The air flow achieved through the wind catcher depends on the speed and direction of the wind. The results obtained using the explicit and AIDA implicit calculation procedures and CFX code correlate relatively well with the experimental results at lower wind speeds and with wind incidents at an angle of 0 degrees. Variation in the C-p and air flow results were observed particularly with a wind direction of 45 degrees. The explicit and implicit calculation procedures were found to be quick and easy to use in obtaining results whereas the wind tunnel tests were more expensive in terms of effort, cost and time. CFD codes are developing rapidly and are widely available especially with the decreasing prices of computer hardware. However, results obtained using CFD codes must be considered with care, particularly in the absence of empirical data.

The impact of urban wind environments on natural ventilation

The aim of this paper is to illustrate the impact of urban wind environments when assessing the availability of natural ventilation. A numerical study of urban airflow for a complex of five building blocks located at the University of Reading, UK is presented. The computational fluid dynamics software package ANSYS was used to simulate six typical cases of urban wind environments and the potential for natural ventilation assessed. The study highlights the impact of three typical architectural forms (street canyons, semi-enclosures and courtyards) on the local wind environment. Simulation results have also been compared with experimental data collected from six locations on the building complex. The study demonstrates that ventilation strategies formed using regional weather data, may have a propensity to over-estimate the potential for natural ventilation and cooling, due to the impact of urban form which creates a unique microclimate. Characteristics of urban wind flow patterns are presented as a guideline and can be used to assess the design and performance of natural or hybrid ventilation and the opportunity for passive cooling.

A study on effect of built forms on urban wind environment by using CFD simulations

This paper presents a numerical study of urban air-flow for a group of five buildings that is located at the University of Reading in the United Kingdom. The airflow around these buildings has been simulated by using ANSYS CFD software package. In this study, the association between certain architectural forms: a street canyon, a semi-closure, and a courtyard-like space in a low-rise building complex, and the wind environment were investigated. The analysis of CFD results has provided detailed information on the wind patterns of these urban built forms. The numerical results have been compared with the experimental measurements within the building complex. The observed characteristics of urban wind pattern with respect to the built structures are presented as a guideline. This information is needed for the design and/or performance assessments of systems such as passive and low energy design approach, a natural or hybrid ventilation, and passive cooling. Also, the knowledge of urban wind patterns allows us to develop better design options for the application of renewable energy technologies within urban environment.

Modelo matemático de um agitador eletromagnético

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos eletromagnéticos e fluido-dinâmicos induzidos no aço, decorrentes do uso de um agitador eletromagnético. Para tal, foi proposta a construção de um modelo numérico que resolva, de forma acoplada, os problemas de eletromagnetismo e fluido-dinâmica. O modelo numérico do problema eletromagnético, em elementos finitos, foi construído utilizando-se o software Opera-3d/Elektra da Vector Fields. O mesmo foi validado com medidas experimentais de densidade de fluxo magnético feitas na usina. O escoamento decorrente da agitação eletromagnética foi resolvido fazendo-se o acoplamento das forças de Lorentz com as equações de Navier-Stokes. Essas últimas foram resolvidas pelo método de volumes finitos, usando-se o software CFX-4 da AEA Technology. O modelo eletromagnético mostrou que existe um torque máximo dependente da freqüência do campo magnético. Também foi observado que a força magnética aumenta em quatro vezes seu valor, quando a corrente é duplicada. O perfil de escoamento produzido no molde, sob agitação eletromagnética, indica, que as situações de lingotamento testadas, não propiciam o arraste da escória. A velocidade crítica de arraste, determinada via modelo físico, não foi atingida para nenhum caso testado. O modelo fluido-dinâmico e térmico apresentou um aumento do fluxo de calor cedido pelo fluido para a casca solidificada com o uso do agitador eletromagnético. Como conseqüência, observou-se uma queda na temperatura do banho. Também foi observado, que o uso do agitador propicia a remoção de inclusões das camadas mais externas do tarugo. Ao mesmo tempo, notou-se que o uso do agitador aumenta o índice de remoção de inclusões para as duas seções de molde analisadas.

Modelamento matemático do escoamento do aço num distribuidor de lingotamento contínuo

Além de armazenar e distribuir o aço líquido para os moldes, uma das funções do distribuidor de lingotamento contínuo é a flotação e separação das inclusões para uma melhor qualidade do produto final. A eficiência e otimização deste processo requer o conhecimento das características do escoamento do aço líquido dentro do distribuidor. Esta dissertação trata do modelamento matemático do escoamento do aço num distribuidor DELTA-T, sem e com modificadores de fluxo e inibidores de turbulência, em condições isotérmicas e não isotérmicas em diferentes situações de vazão e condições térmicas. O software CFX-4 foi utilizado para resolver as equações de movimento, continuidade e transferência de calor utilizando modelo k-ε de turbulência para uma geometria tri-dimensional. A validação de modelo matemático com o modelo físico foi feita através da comparação de planos de laser entre os vetores de velocidade. Para a trajetória do escoamento foi utilizado no modelo físico a técnica do corante. Para a obtenção das curvas DTR – distribuição de tempos de residência no modelo físico foi usada a técnica de injeção de pulso, enquanto que no modelo numérico esta mesma técnica foi aplicada para um escoamento multifásico homogêneo. O perfil de temperatura calculado do aço na superfície foi comparado com medidas experimentais realizadas na usina O objetivo deste trabalho é caracterizar o escoamento do aço através dos perfis de velocidade, energia cinética de turbulência, perfis de temperatura e curvas de distribuição de tempos de residência, avaliando os tempos mínimo e médio de residência e as porções de volumes característicos. Os resultados obtidos indicam que o uso de modificadores de fluxo e inibidores de turbulência são eficientes no controle da emulsificação. É observado que o escoamento apresenta diferenças quando tratado isotermicamente e não isotermicamente.

Análise numérica de uma torre de resfriamento de grande porte

Este trabalho tem como objetivo principal determinar a troca de calor em uma torre de resfriamento de grande porte, do tipo seca. A força motriz deste sistema é o empuxo resultante da diferença de temperatura entre o ar interior e exterior da torre. A partir de uma certa velocidade o vento externo também desempenha um papel importante. A convecção natural ocorre em regime turbulento, devido às grandes dimensões. A modelagem numérica é feita pelo Método dos Volumes Finitos com malhas criadas sobre Elementos Finitos, através dos softwares comerciais Fluent e CFX. Os resultados são obtidos para diferentes potências dissipadas no trocador de calor. A partir dos resultados são realizados estudos sobre a viabilidade de mudanças na geometria da torre, a fim de se obter melhorias no escoamento, bem como uma troca de calor mais eficiente. Faz-se ainda uma regressão a fim de obter correlações entre a potência dissipada no trocador de calor e a vazão mássica de ar necessária para a troca. Estas correlaçõoes são de utilidade, para aplicações posteriores, na implantação de um simulador para o processo de troca de calor nesta torre. O trocador de calor também é enfocado a fim de se determinar o coeficiente global de troca térmica, a fim de disponibilizá-lo para aplicação em outros trabalhos

Estudo de cargas impulsivas com ênfase em explosões : estratégias de análises utilizando métodos numéricos

A avaliação da solicitação produzida por explosões, assim como da resposta de estruturas, são temas de muito interesse na engenharia atualmente, tanto pela quantidade crescente de acidentes relacionados com explosões quanto pelas ações terroristas muitas vezes vinculadas a estes tipos de ações. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo explorar técnicas de análise tanto na modelagem da excitação quanto na resposta de estruturas consideradas como alvos. Para isto, são utilizadas metodologias de diferentes tipos: implementações baseadas em sistema de elementos finitos comerciais como Ansys [2000] e LS-Dyna [2003] e técnicas simplificativas que permitem realizar uma avaliação preliminar. As aplicações consideradas são indicadas a seguir: • Análise da Resposta de Estruturas Laminares Submetidas à Ação de Cargas Explosivas: determina-se a pressão produzida por explosivos sólidos a certa distância do epicentro, através de métodos simplificados, determinando a resposta esperada em placas retangulares; • Efeito da Pressão Interna em Vasos de Pressão (Extintores de Incêndio): comparando resultados numéricos e experimentais verifica-se a influência da pressão interna nas propriedades dinâmicas do sistema; • Estudo de Um Vaso Esférico de GLP Sob Ação de Uma Carga Explosiva: aplica-se a ação de uma onda explosiva produzida por um gás inflamável pesado sobre uma estrutura de vaso de pressão esférico com fluido e gás em seu interior, determinando sua resposta, avaliando também a influência de diferentes quantidades de líquido e pressão interna na resposta da estrutura; • Modelamento de uma Camada de Solo / Propagação das Ondas: verifica-se o comportamento da propagação de ondas em um meio elástico, comparando valores encontrados em testes experimentais. Analisa-se numericamente o efeito da inserção de uma valeta na atenuação de tais ondas; • Simulação Numérica Completa de uma Explosão: modela-se um semi-espaço submetido à ação de um explosivo sólido sobre sua superfície, avaliando os campos de pressão gerados. Ao final de cada aplicação são apresentadas conclusões parciais obtidas e as possibilidades de trabalhos futuros vislumbrados. Finalmente, conclui-se que as técnicas empregadas para as simulações são extremamente eficientes, considerando conhecidos todos os parâmetros envolvidos em cada modelo. Neste ponto é fundamental o trabalho do engenheiro, utilizando-se de seus conhecimentos técnicos para transformação do evento real em um modelo numérico, considerando e selecionando as simplificações necessárias.

Modelagem numérica aplicada aos fenômenos de escoamento e mistura em modelos físicos de panelas de aciaria

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.