Se ha denunciado esta presentación.
Utilizamos tu perfil de LinkedIn y tus datos de actividad para personalizar los anuncios y mostrarte publicidad más relevante. Puedes cambiar tus preferencias de publicidad en cualquier momento.


473 visualizaciones

Publicado el

  • Sé el primero en comentar


  1. 1. Finite  Element  Analysis  Report     Eden  Shuster                     Abstract:     The  objective  of  this  lab  is  to  analyze  a  rail  crane  platform  and  wind  turbine  using  finite   element  analysis  through  ANSYS.  The  systems  were  studied  using  real-­‐world  forces,   frequencies,  thermodynamic  properties  and  other  physical  effects.  By  using  the  computerized   method  of  finite  element,  the  performance  of  the  systems  have  been  evaluated  in  the  following   sections.         Introduction:     Rail  Crane  Platform:  The  purpose  of  this  section  of  the  lab  was  to  perform  load  analysis   on  a  rail  crane  platform.  In  the  first  part  of  the  analysis,  a  load  was  applied  in  a  Static  Structural   Block  to  the  center  hole  of  the  wheel.  This  load  represent  the  force  exerted  on  the  wheel  by  the   weight  of  the  platform,  the  shaft  and  other  components.  After  applying  the  load,  a  static-­‐ structural  analysis  was  performed  on  the  well  and  a  small  portion  of  the  track  at  the  point  of   contact.  The  purpose  of  the  analysis  was  to  obtain  results  for  the  deformation  and  the  stress  at   the  point  of  the  contact.  The  same  analysis  was  performed  for  the  wheel  and  the  rail  in  three   contact  conditions.  These  conditions  are  bonded  contact,  frictionless  contact,  a  frictional  
  2. 2. Final  Project  Report     2     contact.  After  this,  a  transient  thermal  analysis  of  the  wheel  and  corresponding  axle  was   performed  along  with  a  static  structural  analysis.  The  purpose  of  this  analysis  was  to  determine   the  temperature  distribution  after  1,  5,  and  10  minutes.  And  also  to  report  the  deformation  and   von  Mises  stress  in  the  wheel.           Wind  Turbine:  The  purpose  of  this  section  of  the  lab  was  to  perform  load  analysis  on  a   wind  turbine  model.  In  the  first  part  of  the  analysis,  a  series  of  loads  were  applied  in  a  Static   Structural  Block  to  a  single  blade  of  the  wind  turbine.  These  loads  resembled  real  life  loads  of  a   wind  turbine.  The  first  load  represented  heat  from  the  sun  thought  out  an  average  day,  the   next  load  represented  aerodynamic  affects  from  the  wind,  and  the  last  load  represented  the   rotational  movement  of  the  wind  turbine.  After  these  loads  were  applied,  a  Modal  analysis  was   performed  on  the  blade.  This  was  to  model  the  natural  frequencies  that  would  occur  on  the   blade.  After  this,  the  support  column  of  the  wind  turbine  was  analyzed  using  a  modal  analysis.   Twelve  natural  frequencies  was  imported  and  analyzed  from  the  support  column.  This  data  was   then  used  in  a  Harmonic  Response  Analysis.  A  moment  was  applied  to  the  top  of  the  column   and  was  analyzed  from  0  to  50  Hz.  This  data  showed  an  overlap  in  frequencies  and  proved  the   placement  of  the  moment  was  aligned  with  the  natural  frequencies.                         Description  of  structure:  
  3. 3. Final  Project  Report     3     Rail  Crane  Platform:  The  structure  of  the  rail  crane  platform  consists  of  bodies  and  surface   bodies  made  of  the  default  structural  steel  material.  The  units  are  in  meters.   • A  rail  track  fixed  to  the  ground   • A  pair  of  axles  with  two  wheels  each   • Two  bearings  on  each  axle     • A  platform  supported  by  the  bearing                          Wind  Turbine:  The  structure  of  the  Wind  Turbine  consists  of  bodies  and  surface  bodies  made  of   the  default  structural  steel  material.  The  units  are  in  meters.     • A  surface  body  column  with  solid  flange  at  the  top   • A  solid  body  hollow  housing   • A  solid  body  axle  and  hub  for  blades   • 3  identical  blades   Description  of  methods:   Rail  Crane  Platform:  For  the  first  part,  a  static  structural  analysis  was  performed  on  a   single  wheel  in  contact  with  the  rail.  All  other  geometry  was  suppressed.  The  geometry  of  the   wheel  was  simplified  by  removing  the  fillets.  Also,  the  keyholes  on  the  wheel  were  filled  using   the  command  fill  in  the  designer  modeler.  The  material  of  the  filled  keyhole  was  merged  using   the  command  Boolean  in  the  designer  modeler.  A  small  portion  of  the  rail  in  contact  with  the   wheel  was  analyzed.  In  static  structural,  a  vertical  load  of  2.5  KN  was  applied  to  the  center  hole   of  the  wheel.  After  that,  a  medium  mesh  was  applied.  The  analysis  was  performed  with  three   contact  conditions.  These  conditions  are:   1-­‐  Bonded  contact   2-­‐ Frictionless  contact   3-­‐ Frictional  contact  with  coefficient  of  friction  of  0.2   For  each  condition  the  deformation  and  the  stress  were  recorded.    Next,  a  transient  thermal  analysis  of  the  wheel  and  corresponding  axle  assembly  was   performed.  For  this  analysis,  only  a  small  portion  of  the  axle  was  analyzed  using  the  command  slice  in   design  modeler.  For  this  analysis,  a  steady-­‐state  block  was  created  in  design  modeler  to  add  the   temperature  conditions.  The  start  temperature  of  the  wheel  was  set  to  200  deg  C.  and  the  axle  was  at   22  deg  C.  an  ambient  conviction  of  7.9  W/m^2  C  was  applied  to  exposed  surfaces  to  air  at  22  deg  C.   After  the  conditions  were  set  up.  The  solution  was  passed  to  a  Transient  Thermal  analysis  system.   Consequently,  the  temperature  distribution  after  1,  5,  and  10  minutes.  After  that,  a  static  structural   analysis  with  the  above  three  temperature  distributions  as  initial  temperature.  The  deformation  and  von   Mises  stress  in  the  wheel-­‐axle  assembly  were  recorded.  Finally,  a  transient  structural  analysis  of  the   simplified  wheel  was  performed  to  observe  the  displacement  of  the  wheel  and  the  reaction  of  the  rail.     For  the  last  part,  a  transient  structural  analysis  of  the  simplified  wheel-­‐full  rail  interface  with  a   frictional  contact  was  performed.  The  initial  translational  velocity  of  the  wheel  was  set  to  1  M/s^2.  A  1   KN  force  was  applied  to  the  center  hole  which  represents  an  approximate  value  of  the  load  from  the  
  4. 4. Final  Project  Report     4     axle  onto  the  wheel.  A  friction  coefficient  of  0.15  was  applied  as  well  between  the  wheel  and  the  rail.   The  simulation  was  run  for  0.2  seconds.  Consequently,  the  displacement  of  the  wheel  and  the  reaction   of  the  rail  was  recorded.       Wind  Turbine:  For  the  first  part,  a  Static  Structural  analysis  was  performed  on  the  single  blade.   All  other  bodies  in  the  geometry  were  suppressed.  A  simple  face  mesh  was  applied  and  a  thickness  of  2   cm  was  applied  to  the  geometry.  Three  steps  were  performed  with  multiple  steps  of  cumulative   loadings.  After  each  step,  the  deformation  and  the  support  reaction  force  and  moment  were  recorded.   The  three  load  steps  were:   1. A  thermal  load.  The  structure  starts  at  22  °C  with  an  ideal  thermal  load  from  the  sun  that  warms   the  geometry  to  58  °C.  The  edges  facing  the  hub  were  fixed  and  considered  insulated.     2. A  wind  load  of  12  kN  lift  and  drag  load  of  7kN  were  applied  to  the  blade  area.  This  simulated  the   load  the  blade  would  face  from  the  environment.     3. A  rotational  velocity  with  frequency  of  0.25  Hz  was  added  about  the  axis  of  the  axle.     Next,  a  Model  Analysis  was  performed  on  the  blade  for  the  given  loads  above.  This  was  done  by   transferring  the  already  made  static  structural  analysis  into  a  model  analysis  model.  Each  of  the  preloads   were  individually  analyzed  and  compared  to  each  other.   Lastly,  the  support  column  of  the  wind  turbine  was  analyzed.  A  new  analysis  was  created  from   the  original  wind  turbine  geometry  but  all  geometries  were  suppressed  except  the  support  column.  This   geometry  was  created  in  a  Modal  Analysis.  The  area  at  the  bottom  third  of  the  column  was  fixed.  Next   the  first  12  natural  frequencies  and  mode  shapes  were  calculated.  Using  this  data,  the  solution  was   transferred  over  to  a  Harmonic  Response  Analysis.  For  the  Harmonic  Analysis,  the  range  was  0  to  50  Hz   and  a  damping  ratio  of  1%.  Then  a  moment  of  50  N*m  was  applied  to  the  top  edge  of  the  column  with   the  moment  direction  about  the  axis  passing  through  the  axis  of  the  column.  The  frequency  response   was  calculated.               Rail  Crane  Platform  Analysis:      
  5. 5. Final  Project  Report     5       Figure  1  :  The  wheel  after  removing  the  small  fillets       Figure  2  :  The  wheel  after  filling  the  keyhole      
  6. 6. Final  Project  Report     6       Figure  3  :  The  wheel  after  removing  the  fillets  from  the  inner  shaft  of  the  wheel                                  
  7. 7. Final  Project  Report     7     The  analysis  of  the  Rail  Crane  Platform  consisted  of  the  Wheel  and  small  portion  of  the   rail  in  contact  with  the  wheel.  Other  sections  were  suppressed  as  they  were  not  the  main  focus   of  the  discussion.    The  assumption  of  structural  steel  for  the  material  was  made.   A  static  structural  analysis  was  conducted  for  a  single  wheel  and  a  small  portion  of  the  rail  in   contact  with  the  wheel.  The  rail  was  fixed  to  the  ground,  and  a  2.5  KN  load  was  applied  to  the   center  hole  of  the  wheel.  The  analysis  was  carried  out  with  the  following  three  contact   conditions:   1-­‐ Bonded  contact     Figure  4:  The  total  deformation  in  a  front  view  
  8. 8. Final  Project  Report     8       Figure  5:  The  total  deformation  in  perpendicular  view     Figure  6:  The  equivalent  stress  in  a  front  view      
  9. 9. Final  Project  Report     9         Figure  7  :  The  equivalent  stress  in  a  perpendicular  view                                
  10. 10. Final  Project  Report     10           2-­‐ Frictionless  contact   For  the  Frictionless  Contact  condition  between  the  wheel  and  the  rail,  the  translational   velocity  caused  a  deformation  of  the  wheel  along  the  axis  of  the  rail.  Because  the  bottom   face  of  the  rail  was  held  in  place  with  a  fixed  support,  it  experienced  no  deformation.   Furthermore,  because  of  the  frictionless  surfaces,  no  part  of  the  rail,  even  the  top  surface   experience  any  axial  force  from  the  wheel,  only  a  bending  force  caused  by  the  bearing  load   representing  an  axial  through  the  shaft  of  the  wheel.       Figure  8:  The  total  deformation  in  a  perpendicular  view    
  11. 11. Final  Project  Report     11       Figure  9:  The  total  deformation  in  a  front  view    
  12. 12. Final  Project  Report     12       Figure  10  :  The  equivalent  stress  in  a  front  view     The  Equivalent  stress  analysis  was  conducted  on  both  bodies  with  a  mesh  curvature  setting  to   focus  on  contact  and  proximity.  The  areas  of  high  stress  are  those  which  would  experience   wither  compression  or  tension  under  the  vertical  bearing  load  given  the  fixed  boundary   conditions  of  the  rail.    
  13. 13. Final  Project  Report     13       Figure  11  :  The  equivalent  stress  in  a  perpendicular  view                              
  14. 14. Final  Project  Report     14     3-­‐ Frictionless  contact  with  a  coefficient  of  friction  of  0.2       Figure  12:  The  total  deformation  in  a  front  view     The  third  contact  condition  that  we  covered  was  the  frictionless  contact  with  a  coefficient  of   friction  of  0.2.  Here  the  max  deflection  still  exists  on  the  wheel  because  of  the  translational   velocity  that  it  carries.  Over  our  total  timespan  the  wheel  deformed  a  total  of  732.37  m.  Even   with  the  coefficient  of  friction,  the  wheel  seemed  to  translate  a  equal  distance  to  that  of  the   ideally  frictionless  contact  condition  studied  prior.    
  15. 15. Final  Project  Report     15         Figure  13:  The  total  deformation  in  a  perpendicular  view        
  16. 16. Final  Project  Report     16           Figure  13:  The  equivalent  stress  in  a  front  view     After  running  the  a  Equivalent  Von  Mises  Stress  analysis  on  both  bodies  with  a  proximity  mesh   preference  focusing  on  contact  regions,  we  noticed  that  the  stress  values  were  equal  to  the   values  which  we  obtained  from  the  similar  analysis  of  the  frictionless  contact  region.    
  17. 17. Final  Project  Report     17           Figure  14:  The  equivalent  stress  in  a  perpendicular  view                        
  18. 18. Final  Project  Report     18     Adding  Thermal  Load:  a  transient  thermal  analysis  of  the  wheel  and  corresponding  axle  assembly  was   performed.  For  this  analysis,  a  steady-­‐state  block  was  created  in  design  modeler  to  add  the  temperature   conditions.  The  start  temperature  of  the  wheel  was  set  to  200  deg  C.  and  the  axle  was  at  22  deg  C.  an   ambient  conviction  of  7.9  W/m^2  C  was  applied  to  exposed  surfaces  to  air  at  22  deg  C.  We  also  used  a   force  reaction  probe  to  test  out  the  reaction  forces  from  the  rail  caused  by  the  forces  exerted  on  it  by   the  wheel.           Figure  15:  The  temperature  distribution  on  the  wheel,  axle  and  rail              
  19. 19. Final  Project  Report     19     The  solution  was  passed  to  a  Transient  Thermal  analysis  system.  Consequently,  the  temperature   distribution  after  1,  5,  and  10  minutes.  After  that,  a  static  structural  analysis  with  the  above  three   temperature  distributions  as  initial  temperature.         Figure  16:  The  total  deformation         Figure  17:  The  equivalent  stress      
  20. 20. Final  Project  Report     20       For  the  last  part,  a  transient  structural  analysis  of  the  simplified  wheel-­‐full  rail  interface  with  a   frictional  contact  was  performed.  The  initial  translational  velocity  of  the  wheel  was  set  to  1  M/s^2.  A  1   KN  force  was  applied  to  the  center  hole  which  represents  an  approximate  value  of  the  load  from  the   axle  onto  the  wheel.  A  friction  coefficient  of  0.15  was  applied  as  well  between  the  wheel  and  the  rail.   The  simulation  was  run  for  0.2  seconds.  Consequently,  the  displacement  of  the  wheel  and  the  reaction   of  the  rail  was  recorded.     Figure  18:  The  total  deformation  of  the  wheel  
  21. 21. Final  Project  Report     21         Figure  19  The  equivalent  stress                        
  22. 22. Final  Project  Report     22       Wind  Turbine  Analysis:     Figure  1:  Wind  Turbine   The  analysis  of  the  wind  turbine  consisted  of  the  main  support  and  the  one  of  the   blades.  Other  sections  were  suppressed  as  they  were  not  the  main  focus  of  the  discussion.    The   assumption  of  structural  steel  for  the  material  was  made.  For  the  surface  analysis  of  the  blade,   it  was  assumed  that  the  thickness  was  2  cm  throughout  the  length  of  the  body.     A  static  structural  analysis  for  a  single  blade  was  done  in  the  following  section.  Here,  the   lower  end  of  the  blade  at  the  hub  was  fixed  as  a  support.  A  cumulative  loading  was  performed   on  the  system  with  multiple  steps  over  a  period  of  time.  Here,  the  deformation  along  with  the   moment  and  force  reactions  were  analyzed.     Adding  Thermal  Load:  First,  a  ramped  thermal  load  on  the  structure  starts  at  22  °C  with   zero  stress,  and  then  the  sun  warms  it  to  58  °C.    
  23. 23. Final  Project  Report     23       Figure  2:  Total  Deformation     Figure  3:  Total  Deformation  Table     Figure  4:  Total  Deformation  Steps  
  24. 24. Final  Project  Report     24       Figure  5:  Force  Reaction  Graph     Figure  6:  Force  Reaction  Graph  Table     Figure  7:  Moment  Reaction  Graph     Figure  8:  Moment  Reaction  Table  
  25. 25. Final  Project  Report     25     Adding  Drag  and  Wind  Forces:  For  load  step  two,  a  wind  loads  of  12  kN  lift  and  7  kN   drag  was  added  to  the  blade.  The  forces  on  the  blade  were  applied  on  the  blade  are  with  a   default  distribution.  A  similar  analysis  was  conducted  as  the  first  load  analysis.       Figure  9:  Drag  and  Wind  Total  Deformation       Figure  10:  Drag  and  Wind  Total  Deformation  Steps  Table  &  Graph    
  26. 26. Final  Project  Report     26         Figure  11:  Force  Reaction  at  Fixed  Support  Table  &  Graph         Figure  12:  Moment  Reaction  at  Support  Table  &  Graph   Adding  Rotational  Velocity:  For  the  final  load  step,  a  rotational  velocity  with  frequency   of  0.25  Hz  (convert  to  rad/s)  about  the  axis  of  the  axle  was  added.  The  same  analysis  was   conducted  as  recorded.    
  27. 27. Final  Project  Report     27       Figure  13:  Total  Deformation  with  Rotational  Velocity       Figure  14:  Total  Deformation  with  Rotational  Velocity  Table  &  Graph    
  28. 28. Final  Project  Report     28         Figure  15:  Force  Reaction  Table  &  Graph         Figure  16:  Moment  Reaction  Graph  &  Table       Blade  Modal  Analysis:  Next,  a  modal  analysis  on  the  blade  structure  was  conducted.   Here,  the  first  6  frequencies  for  each  static  structural  load  analysis  were  recorded  and   compared.    
  29. 29. Final  Project  Report     29         Figure  17:  Nodes  with  thermal  condition       Figure  18:  Nodes  with  force  drag,  force  lift,  &  thermal  condition     Figure  19:  Nodes  with  all  preloads  (Force  drag,  force  lift,  thermal  condition,  and  angular  velocity)   Mode  and  Harmonic  Response  on  the  Support  Colum:  Here,  a  modal  and  harmonic   response  analysis  on  the  support  column  of  the  wind  turbine  (all  other  parts  suppressed)  was   performed.  The  area  at  the  bottom  third  of  the  column  was  fixed,  and  the  first  12  natural   frequencies  and  mode  shapes  were  computed.  The  corresponding  deformation  shapes  were   analyzed  for  each  corresponding  frequency.      Finally,  a  harmonic  response  analysis  in  the  range   of  0Hz  to  50Hz  was  conducted  on  the  system.  A  moment  at  the  top  edge  of  the  column  with  the  
  30. 30. Final  Project  Report     30     moment  direction  about  the  axis  passing  through  the  axis  of  the  column  was  applied.  Next,  the   deformation  frequency  response  at  the  edge  where  the  moment  is  applied  was  analyzed,  and   at  any  other  node  on  the  column.  The  following  results  show  the  harmonic  response  data.       Figure  20:  Frequency  Response  [Hz]  Data       Figure  21  Frequency  3.6  Hz                                                                                                                                              Figure  22  Frequency  9.6176  Hz  
  31. 31. Final  Project  Report     31       Figure  23  Frequency  55.276  Hz                                                                                                                      Figure  24  Frequency  1      Figure  25  Frequency  37.332  Hz                                                                                                                                    Figure  26  Frequency  32.234  Hz     Figure  27  Frequency  9.6176  Hz                                                                                                                                            Figure  28  Frequency  55.59  Hz  
  32. 32. Final  Project  Report     32       Figure  29  Frequency  60.217  Hz                                                                                                                              Figure  30  Frequency  92.445  Hz     Figure  31  Frequency  58  Hz                                                                                                                        Figure  32  Frequency  128.34  Hz   Discussion:         Wind  Turbine:  For  the  Static  Structural  analysis  of  the  single  blade,  the  first  load  step   was  the  thermal  load.  Looking  at  the  thermal  deformation,  it’s  not  a  significant  force  in  the   system.  The  next  load  step  was  the  wind  and  drag  loads.  Here,  the  maximum  total  deformation   of  the  system  mounted  to  .013818  m  which  again,  it’s  affected  by  the  assumed  thickness  of  2   cm.  The  analysis  was  performed  neglecting  large  deformations.  Finally,  the  last  load  step  was  a   rotational  velocity.  Looking  at  the  combined  loads,  the  final  maximum  deformation  was  in  the   range  of  .67735  m  making  it  a  considerable  problem.  When  we  look  at  the  moment  and  force   reactions  for  each  step  load,  a  gradual  increase  is  observed  at  the  support.  Thermal  load  has  a   minimal  effect  at  the  fixed  support.  However,  the  drag  and  lift  forces  as  well  as  the  relational   velocity  are  reflected  at  the  support  reactions  as  expected.  This  analysis  represent  real  world   applications  and  helps  predict  operation  requirements  for  the  structure.      
  33. 33. Final  Project  Report     33     The  modal  blade  analysis  for  the  wind  turbine  resulted  in  six  frequencies  for  each   structural  load  step.  The  modal  mode  analysis  represents  the  expected  oscillating  pattern  of  a   system  given  the  material  and  geometry  when  subjected  to  certain  forces.  Here,  given  the  fixed   support  at  the  base  of  the  blade,  the  system  moved  sinusoidally  at  the  same  natural,  resonant   frequency.  When  the  deformation  of  the  system  is  analyzed  at  this  frequencies,  the  nodes  can   be  observed  acting  as  supports  with  no  deformation.  The  overall  change  in  wind  blade   frequency  for  each  load  step  was  small,  as  can  be  observed  from  the  analysis.  This  is  due  to  the   magnitude  of  the  blade  as  would  be  expected.     For  part  d,  every  two  modes  were  paired  with  each  other.  Each  had  the  same  shape  but   with  respect  to  different  axis.  The  frequencies  were  also  close  to  each  other.  This  was  because   the  natural  frequencies  of  the  column  first  needed  to  exhaust  movement  in  each  direction   before  adding  a  node  to  the  column.  When  the  column  was  applied  to  the  harmonic  response,   the  first  frequency  cluster  landed  in  the  same  magnitude  of  the  natural  frequency.  Both  the   natural  frequencies  occurred  in  the  deformation  frequency  response  when  applied  to  the  edge   of  the  column.  Next,  another  frequency  response  was  found  on  a  node  of  the  column  and  a   very  similar  response  ensued.  The  cluster  again  fell  in  the  same  magnitude  of  the  natural   frequency.     Conclusion:   In  final  consideration,     Recommendations:     Wind  Turbine:  Observations  indicate  that  the  assumed  thickness  of  the  blade  have  a   strong  effect  on  the  static  structural  response  of  the  system.  Further  analysis  with  varying   thickness  is  recommended  to  find  the  ultimate  thickness  that  will  offer  the  best  performance  at   the  best  cost.  Furthermore,  further  analysis  for  the  base  of  the  turbine  is  necessary  for  the   modal  and  harmonic  response  of  the  most  dangerous  frequencies.  Different  materials  and   structural  geometries  should  be  considered  for  the  ultimate  safety  integrity  of  the  structure.