Témata
Reklama

Modelování a simulace fyzikálních úloh

16. 06. 2004

Femlab je určen k modelování a simulaci fyzikálních úloh v širokém spektru vědeckých a technických disciplin. Dobrou pomůcku pro přehled o jeho možnostech poskytuje CD s řešenými příklady.

V jednom z minulých čísel tohoto časopisu bylo uvedeno několik informací o programu Femlab, který vyvíjí švédská firma Comsol. Jedná se o rychle se rozvíjející prostředek určený k modelování a simulaci fyzikálních úloh v širokém spektru vědeckých a technických disciplín. Metoda konečných prvků je zde aplikována na úlohy popsané parciálními diferenciálními rovnicemi (PDE).
Reklama
Reklama

Řešené příklady na CD-ROM

Vzrůstající počet zájemců o tento produkt žádá více informací o programu i o jeho možnostech využití. K dobrému zdroji informacím patří CD s řešenými příklady, které může kterýkoliv zájemce o Femlab bezplatně získat. Jaké úlohy můžeme na tomto disku najít? CD je rozděleno do několika specializovaných částí. V první jsou uvedeny úlohy řešené samotným Femlabem, v dalších jsou úlohy rozdělené podle specializovaných modulů. Každý model je teoreticky rozebrán a obsahuje popis řešené úlohy ve Femlabu. Některé modely jsou dokumentovány postupem řešení a řada výsledků je animována. Všechny modely je možné načíst do Femlabu 3.0 a prakticky si tak vyzkoušet zadávaní potřebných podmínek i pracovní postupy. V následujícím textu jsou jako příklad uvedeny popisy některých modelů.

Úlohy řešené Femlabem

Jeden z příkladů řešených samotným Femlabem ukazuje využití externího magnetického pole ke zkoumání jeho vlivu na proudění krve v cévách. Model tuto tekutinu uvažuje jako kontinuum a k řešení jsou využity Maxwellovy a Navier-Stokesovy rovnice. Analyzuje se ferro-hydrodynamika krve přidáním magnetické objemové síly do Navier-Stokesových rovnic, což vede k řešení úloh magnetického pole.
V další úloze je analyzován vzorek mokré zeminy vystavené teplotě v bodě mrazu. Zkoumá se chování zeminy a jílu pomocí rovnic popisujících prostup tepla a hydromechaniku. Někdy se v takovém případě mluví o poroelasticitě. Tohoto principu se používá při stavbě silnic, ve stavebnictví nebo při zkoumání planety Země.
Při řešení tenkých konstrukcí, jako jsou tenkostěnné nádoby, mohou vzniknout problémy při generování sítě. Je uveden příklad, který řeší rozložení hustoty proudu na povrchu 3D nádoby se dvěma otvory pro spojení s potrubím a model je definován jako skořepina. Na jedné straně je napětí 400 V, na druhé je potrubí uzemněno.
Femlab lze využít také při modelování nového rozdělení hmyzu na různých typech rostlin. V tomto případě je uveden model, kdy na počátku známe rozložení zakukleného hmyzu a modelujeme pomocí rovnice difuze nové rozdělení v různých oblastech, které jsou reprezentovány rostlinami, jako je rmen a pšenice.

Modelování pomocí specializovaných modulů

K modelování některých úloh lze využít specializované moduly s PDE upravenými pro konkrétní profesní oblasti. Jedním z nich je Elektromagnetický modul, jehož pomocí je řešeno rozložení teploty na elektrickém motoru. Střídavý proud v cívce statoru indukuje proud v kotvě a vznikající teplo ohřívá konstrukci motoru. Při výpočtu se uvažuje tenká izolační vrstva mezi cívkou statoru a rotorem a celý motor je modelován pomocí aplikace Quasi-Static v Elektromagnetickém modulu a pomocí aplikace prostupu a vedení tepla v základním Femlabu.
Další příklad je z oblasti medicíny, konkrétně tomografie, která zobrazuje rozložení vnitřní permitivity v těle pacienta měřením proudu a napětí na jeho povrchu. Každý orgán v těle člověka má rozdílné vlastnosti, a proto můžeme zvnějšku zkoumat jejich pohyb nebo polohu. V úloze řešené Femlabem je použit rozdíl potenciálů na hranicích a hustota náboje na povrchu orgánu, která se uvnitř mění podle rozložení permitivity. Na tomto principu lze zobrazovat různé tělesné orgány v těle pacienta.
Jednoduchý benchmarkový test proudění řeší další úloha. Je simulováno proudění v kanále s kolmým odskokem v jeho profilu. Modelování je kombinováno s energetickou rovnováhou a je zde názorně uvedeno snadné využití multifyzikálních možností Femlabu.

Chemicko-technologický modul

Další příklad využívá aplikace prostupu a vedení tepla z Chemicko-technologického modulu. Je modelováno vedení tepla ve sklenici studené vody zahřívané pokojovou teplotou. Proudění využívá aplikaci neizotermálního proudění a teplotního pole. Na počátku je teplota sklenice a vody 5 °C. Poté je sklenice postavena na stůl v místnosti s okolní teplotou 25 °C. Výsledkem je rychlostní pole splývavého proudění a grafický výstup ve čtyřech časových okamžicích.
V současné době je řada výzkumných úloh zaměřena na palivové články. Palivový článek je chemický reaktor, který mění chemickou energii na energii elektrickou. Jeho výhodou je vysoká účinnost, minimální zamořování okolí a tichá činnost. Články jsou zdrojem energie například v oblasti automobilů, přenosné elektronice atd. Model membrány s výměnou protonů v palivovém článku (PEMFC - proton exchange membrane fuel call) je dalším příkladem využití Chemicko-technologického modulu. Vyžívá hmotovou rovnováhu vodíku a vodní páry v plynném kanále anody spolu s pórovitou vrstvou. V plynném kanále katody je využita materiálová rovnováha kyslíku, dusíku a vodních par společně s aktivní vrstvou. Materiálová vrstva je spojena s přenosem reakce iontového a elektrického náboje prostřednictvím Tafelova výrazu na anodě i katodě. V plynných kanálech je spojena rovnováha materiálu a náboje s Navier-Stokesovou rovnicí a s rovnicí kontinuity v kombinaci s Darcyho pravidlem aplikovaným v ochranné a aktivní vrstvě.

Pružnost a pevnost

Modul pro pružnost a pevnost nabízí řešení několika modelů, z nichž může být zajímavé např. těsnění z hyperplastického materiálu. Konkrétní model řeší vztah síly nutné pro výchylku těsnění ve dveřích automobilu, které je tvořeno měkkou gumou. V modelu je využit hyperplastický materiál společně s výpočtem velkých deformací.
Na CD najdeme také příklady s viskoelastickým materiálem, který má odezvu závislou na čase, dokonce i když je jeho zatížení konstantní. Takovéto vlastnosti mají například polymery a biologické tkáně. Nejčastěji používaná aproximace je lineární viskoelasticita, kdy napjatost závisí lineárně na deformaci a její derivaci podle času.
Přestože Femlab verze 3.0 byl uživatelům nabídnut v dubnu letošního roku, v současné době je již k dispozici update na verzi 3.0a a v průběhu letošního roku budou k dispozici další výrazné novinky ve verzi 3.1.
Reklama
Vydání #6
Kód článku: 40652
Datum: 16. 06. 2004
Rubrika: Trendy / CAD/CAM/CAE
Autor:
Firmy
Související články
Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

Nové funkce pro automatizaci obráběcího procesu

Nová verze CAD/CAM softwaru TopSolidAM V7.13 přináší především jednodušší programování s funkcemi, které se velmi snadno používají. Výsledkem je úspora času, které lze dosáhnout díky novému vysoce výkonnému režimu analýzy kolizí a možnosti provádět řadu úloh zcela automaticky, což přináší celkově vyšší úrovně automatizace obráběcích procesů. V nové verzi najdeme i novou strategii najíždění, která zajistí vyšší životnost obráběcích nástrojů.

Související články
Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nový integrovaný CAM systém

Vývoj výrobků historicky zahrnoval dva oddělené procesy: prvním byl návrh výrobku, druhým pak jeho výroba. Používání samostatných neintegrovaných CAD (návrh) a CAM (výroba) nástrojů při vývoji výrobků vedlo ke komunikační bariéře mezi návrhem a výrobou. Ve výsledku to způsobovalo problémy s náklady, časem a kvalitou, a to zejména v případech, kdy bylo potřeba upravit návrh nebo došlo k narušení vyrobitelnosti. Použitím integrovaného CAD/CAM řešení lze překonat problémy související s tradičním odloučením návrhu a výroby. S použitím integrované CAD/CAM platformy je tak možné zkrátit dobu výrobního cyklu, řídit náklady a zlepšit kvalitu při současné podpoře spolupráce mezi návrhem a výrobou výrobku.

Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

Software zjednodušuje výrobu střižných nástrojů

Příběh společnosti Atlantic Tool & Die začíná 1. června roku 1937, kdy čtyři společníci v čele s Ernestem Mehwaldem založili malou dílnu na Fulton Road ve státě Ohio v USA. Byli to emigranti z Evropy, ale všichni čtyři byli velmi schopnými konstruktéry, a navíc vysoce kvalifikovanými pro výrobu forem. Proto tedy není divu, že se jejich malá dílna do roku 1942 rozrostla a přestěhovala se do větších prostor.

Efektivní programování tvarově podobných dílů

Firma Alcon Components využívá Edgecam a Manažer strategií ve výrobě brzdových systémů pro závodní speciály a vojenská vozidla.

Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

Setkávání

Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

Revoluce pokračuje: Nová strategie soustružení

CAD/CAM systém Edgecam od Vero Software v nové verzi 2015 R1 obsahuje mnoho důležitých vylepšení a nových funkcí.

CAM řešení pro multifunkční CNC obráběcí stroje

Multifunkční CNC obráběcí stroje spojují více možností a funkcionalit. Nejprve se jednalo o doplnění frézovacích operací na soustruhy (frézování osou C a osou Y), přibyla podpora protivřetena, následně byla přidána druhá nástrojová hlava a v současnosti výrobci CNC obráběcích strojů nabízejí konfigurace s plynule řízenou B osou s podporou obrábění v pěti osách, ale i s podporou technologií odvalování nebo obrážení. V nabídce jsou i stroje se třemi nástrojovými hlavami řízené tříkanálovým řídicím systémem. Posledními novinkami jsou pětiosá CNC frézovací centra doplněná o soustružnické operace.

Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit