Numeričko optimiranje krutosti konstrukcije

undergraduate thesis

• Title (english): Numerical optimization of the structure stiffness
• Author: Matija Novak
• Mentor: Tomislav Jarak (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2015-03-06, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

U radu je izvršena numerička analiza krutosti konstrukcije robotiziranog sustava koji se koristi u području neurokirurgije. Dio konstrukcije koji se proračunava je lučni nosač na koji dolazi alat koji se koristi prilikom operacije. Predviđeno je da nosač bude izrađen je aluminija. Cilj proračuna je odrediti kako će se konstrukcija ponašati pod zadanim opterećenjem i koliki će tada biti maksimalni pomaci. Za to je najprije potrebno odrediti koji su konačni elementi optimalni za analizu zadane konstrukcije. Prije numeričke simulacije ponašanja predložene konstrukcije nosača, napravljena je verifikacija na dva modela. Prva verifikacija je provedena na lučnom nosaču oblika četvrtine kružnice punog pravokutnog poprečnog presjeka, ukliještenom na jednom kraju i opterećenom silom na drugom kraju. Druga verifikacija je provedena na lučnom polukružnom nosaču kutijastog profila, ukliještenom na oba kraja i opterećenog silom u sredini. Isti proračuni su provedeni i u računalnom programu Abaqus te je provedena usporedba dobivenih rezultata. Za verifikaciju u Abaqusu su korišteni heksaedarski i tetraedarski konačni elementi prvog i drugog reda. Nakon verifikacije prikazana je numerička analiza pomaka u realnom modelu primjenom metode konačnih elemenata u računalnom programu Abaqus. Konstrukcija je opterećena kontinuiranim opterećenjem koje djeluje na površinu na mjestu gdje dolazi prihvatni mehanizam alata i ukliještena na obje strane. Numerička simulacija je provedena korištenjem heksaedarskih i tetraedarskih elemenata drugog reda. Pretpostavlja se da je jedino opterećenje koje djeluje kontinuirano opterećenje na toj površini. Primarni cilj je analiza pomaka, jer je analizom naprezanja utvrđeno da se u nosaču događaju samo elastične deformacije puno manje od granice tečenja materijala, pa daljnja analiza naprezanja nije potrebna. Na kraju su uspoređeni pomaci za konstrukciju izrađenu od različitih materijala da bi se odredilo koji od materijala je najbolji za izradu konstrukcije. Usporedbom je utvrđeno da je za izradu konstrukcije najpogodniji aluminij.

Abstract (english)

This thesis deals with the numerical analysis of the rigidity of a robotic system used in neurosurgery. A part of the system that is analyzed is an arched beam that carries a surgery tool. It is assumed that this part will be produced using aluminium. The main goal is to determine the behaviour of the construction while subjected to a given load and to determine maximum displacements. Therefore, the most suitable type of finite elements for this problem has to be determined. Before conducting numerical calculations, a verification process has been conducted using two models. The first verification has been carried out using a quarter-circular arched beam with a rectangular cross section, encastured on one side and loaded by a concentrated force on the other side. The second verification has been carried out using a semicircular arched beam with a box cross section, encastured on both sides and loaded with a force in the middle of the arch. The calculations have been also conducted using the software package Abaqus and results have been compared. For the verification of results in Abaqus first order and second order hexahedron and tetrahedron finite elements have been used. After the verification process, a numerical analysis of displacements of the real model using the FEM method in the Abaqus software package is shown. The model is loaded by a line load at the surface where a surgery tool is to be attached and encastured on both sides. Numerical calculations were conducted using hexahedron and tetrahedron second-order finite elements. It is assumed that this is the only load that part is subjected to. The main goal is to analyze displacements, because stress analysis has shown that only elastic strains occur in the model and the maximum stress is much lower than the yield stress. Therefore, further analysis is not required. Displacements calculated using different materials have been compared in order to determine the optimal material for production. The comparison showed that aluminium is most suitable material for production of this part.

• Keywords: lučni nosač; aluminij; metoda konačnih elemenata; krutost
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:781470
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: undergraduate; Academic / professional title: sveučilišni/a prvostupnik/ prvostupnica (baccalaureus/baccalaurea) inženjer/inženjerka strojarstva (sveučilišni/a prvostupnik/ prvostupnica (baccalaureus/baccalaurea) inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2019-05-22 12:50:14