Video
FEA: teräsportaiden lujuuslaskennasta löytyy vinkkivideo Vertex Systems Oy:n Youtube-kanavalta. Klikkaa alla olevaa linkkiä.
Periaate
Tämä lähdeaineisto on videotranskriptio, jossa esitellään portaiden lujuuslaskentaa ja rakenteellista optimointia FEA-simulaation (elementtimenetelmän) avulla. Asiantuntija havainnollistaa, kuinka ohjelmistolla voidaan tutkia askelmien kestävyyttä, jännityshuippuja ja siirtymiä eri kuormitustilanteissa. Analyysin avulla portaikon osia, kuten reisiteräksiä ja ohutlevyrakenteita, pystyttiin keventämään ja valmistusmateriaaleja optimoimaan tehokkaasti. Ohjeistuksessa käydään läpi myös kaiteen lujuustarkastelu, jossa havaitaan tarve lisäkiinnityksille liiallisen jouston vuoksi. Esityksessä korostetaan simulointiasetusten, kuten elementtiverkon tiheyden ja pistekuormien määrittämisen, merkitystä luotettavien tulosten saavuttamiseksi. Kokonaisuutena teksti tarjoaa teknisen katsauksen siihen, miten digitaalinen mallinnus varmistaa teräsrakenteiden turvallisuuden ja materiaalitehokkuuden.
Mitä eroja on osien ja kokoonpanojen sekä palkkirakenteiden laskentatavoissa?
Lähteiden perusteella osien ja kokoonpanojen sekä palkki- ja sauvarakenteiden laskentatavoissa on seuraavia eroja:
-
Alkumääritykset ja kiinnitykset: Osien ja kokoonpanojen laskennan alkumääritystä kuvataan jopa yksinkertaisemmaksi kuin palkki- ja sauvarakenteiden, sillä kuormitus ja kiinnitykset voidaan määrittää suoraan kappaleen pintoihin. Palkkirakenteissa kiinnitykset sen sijaan määritetään tyypillisesti pisteisiin.
-
Laskentamalli ja osat: Osien ja kokoonpanojen analyysissä mallin alkuperäisiä osia, kuten ohutlevyosia, voidaan käyttää täysin muuttamattomina ilman, että niille tarvitsee luoda erillistä yksinkertaistettua laskentamallia. Palkki- ja sauvarakenteen laskennassa ohjelma taas huomioi suoraan valittujen profiilien omapainon.
-
Verkotus (Meshing) ja laskenta-aika: Osien ja kokoonpanojen kohdalla käytetään ns. solid-ratkaisuja, joiden laskenta ja verkotus vievät oletusasetuksillakin hieman enemmän aikaa (minuutin tai pari). Verkotusta voidaan säätää tarpeen mukaan: alustavaan testaukseen voidaan käyttää nopeampaa 4-solmuista verkkoa, kun taas lopulliseen ja tarkempaan laskentaan käytetään oletuksena 10-solmuista verkkoa. Tarvittaessa solid-verkotusta voidaan myös tihentää esimerkiksi tietyn pinnan, viivan tai pisteen ympärille.
-
Kuormitusten kohdistaminen: Osissa ja kokoonpanoissa kuorma kohdistetaan tyypillisesti pinnalle. Palkkirakenteissa kuormitukset (kuten pistekuormat tai vinot kuormat) voidaan määritellä helposti pisteiden välille, ja suunnan määrittämisessä suositellaan apuna ns. luurankoa tai jigiä, johon on piirretty apuviiva kuorman suunnalle. Palkkimallissa lasketaan solmujen saamat arvot.
Miten FEA-analyysi auttoi optimoimaan portaiden rakenteita ja materiaalin käyttöä?
FEA-analyysi auttoi portaiden rakenteiden ja materiaalinkäytön optimoinnissa usealla keskeisellä tavalla:
-
Rakenteiden keventäminen ja yksinkertaistaminen: Analyysin keskeisenä tavoitteena oli saada valmistukseen menevistä portaista huomattavasti yksinkertaisempia ja kevyempiä. Erityisesti portaiden reisistä eli reisiteräksistä saatiin analyysin ansiosta poistettua huomattavasti ylimääräistä materiaalia, mikä kevensi alkuperäistä rakennetta merkittävästi.
-
Materiaalipaksuuksien tarkka säätö: FEA-analyysi mahdollisti nimenomaan reisiterästen ja askelmien paksuuden tehokkaan optimoinnin.
-
Heikkojen kohtien tunnistaminen ja vahvistaminen: Optimointi ei ole pelkkää materiaalin vähentämistä, vaan analyysi paljasti myös kohdat, jotka vaativat tukevampaa rakennetta. Esimerkiksi kaiteen kestävyyttä tutkittaessa havaittiin, että 100 kilon vinottainen pistekuorma aiheutti yli sallitun rajan meneviä jännityksiä ja yli 20 millimetrin siirtymän. Tämän tuloksen perusteella kaiteen rakennetta voitiin optimoida oikeaan suuntaan joko vaihtamalla materiaaliksi hieman järeämpää putkea tai lisäämällä rakenteeseen seinäkiinnitys.
Mitä tarkoitetaan 4-solmuisella ja 10-solmuisella verkolla?
Neljä- ja kymmensolmuisilla verkoilla viitataan osien ja kokoonpanojen FEA-analyysissa (solid-ratkaisuissa) käytettäviin elementtiverkkoihin (mesh), joilla on hieman eri käyttötarkoitus laskentaprosessin aikana:
-
4-solmuinen verkko: Tätä verkkoa käytetään alustavaan testaukseen. Sen avulla on nopea kokeilla, lähteekö ohjelma ylipäätään tekemään laskentaa ja tarvitseeko mallin asetuksiin tehdä jotakin muutoksia ennen varsinaista suoritusta.
-
10-solmuinen verkko: Tämä verkko on ohjelman oletusasetus ja se on tarkoitettu mallin lopulliseen ja tarkkaan laskentaan. Kun alustavat testit on tehty ja halutaan saada varsinainen lopullinen tulos, laskenta suoritetaan kymmensolmuisella verkolla.
Miten vinon kuorman suunta määritellään laskentamallissa?
Vinon kuorman suunta määritellään laskentamallissa tyypillisesti erillisen apugeometrian avulla. Suositeltu tapa on luoda ns. luuranko (skeleton) tai jigi, johon piirretään kuorman suuntaa kuvaava apuviiva. Tämä viiva voidaan asettaa mihin tahansa haluttuun kulmaan vastaamaan todellista vinottaista kuormitustilannetta.
Itse kuorman suunnan määrittäminen ohjelmassa tapahtuu osoittamalla kaksi pistettä: suunta muodostuu ensimmäisenä osoitetusta pisteestä lopuksi osoitettuun pisteeseen. Tämän suuntavektorin luomiseen käytettävän apuviivan ja pisteet voi piirtää itse erilliseen luurankomalliin, tai ne voidaan osoittaa suoraan jo olemassa olevan mallin (kuten seinän) geometriasta. Tällä menetelmällä vinon kuorman asettaminen on suoraviivaista ja malliin voidaan tarvittaessa määrittää useita erisuuntaisia kuormia.
Millaisia ohjeita on verkotuksen elementtijaon säätämiseen?
Verkotuksen eli elementtiverkon muokkaamiseen ja säätämiseen annetaan seuraavia ohjeita:
-
Kaarevat muodot vaativat tiheämpää verkkoa: Jos mallissa on paljon kaarevia muotoja ja pintoja, elementtijakoa on yleensä syytä nostaa eli verkkoa on tihennettävä tarkempien tulosten saamiseksi.
-
Paikallinen kohdennus: Verkotuksen säätöä ei tarvitse tehdä kerralla koko malliin. Verkkoa voidaan tihentää tai harventaa hyvinkin paikallisesti kohdentamalla säätö halutun pinnan, viivan tai pisteen ympärille.
-
Säätämisen ajankohta: Elementtiverkkoa voidaan muokata joustavasti joko etukäteen ennen laskennan suorittamista tai tarvittaessa jälkikäteen tulosten tarkastelun yhteydessä.
-
Oletusasetusten riittävyys: Useimmiten ohjelman oletusasetukset toimivat erittäin hyvin ja suorittavat laskennan nopeasti. Kuten aiemmin todettiin, alustavaan testaukseen kannattaa käyttää nopeampaa 4-solmuista verkkoa, jolla nähdään nopeasti, lähteekö laskenta käyntiin ja tarvitseeko jotain muuttaa. Varsinaiseen ja lopulliseen laskentaan käytetään oletuksena olevaa 10-solmuista verkkoa.
Mitä tarkoitetaan liukukytkimellä tulosten tarkastelussa?
Liukukytkimellä tarkoitetaan FEA-analyysin tulosten tarkastelussa työkalua, jonka avulla voidaan tutkia rakenteen jännityksiä ja siirtymiä eri tavoilla:
-
Kun liukukytkin on asennossa nolla, tuloksia voidaan tarkastella yksityiskohtaisesti viemällä hiiren osoitin verkon solmupisteiden päälle. Tällöin ohjelma näyttää tarkan jännityksen ja siirtymän arvon kussakin valitussa pisteessä.
-
Kun liukukytkintä liikutetaan, ohjelma havainnollistaa rakenteen siirtymätilan. Tämä auttaa näkemään visuaalisesti, miten ja kuinka paljon rakenne antaa periksi tai muuttaa muotoaan kuormituksen vaikutuksesta.
Miten von Mises -jännitys auttaa rakenteen kestävyyden arvioinnissa?
Von Mises -jännityksen tarkastelu auttaa FEA-analyysissa rakenteen kestävyyden arvioinnissa tuomalla esiin sen, miten kuormitus rasittaa rakennetta ja missä sen kriittisimmät pisteet sijaitsevat.
-
Sallittujen rajojen ylittymisen havaitseminen: Von Mises -tulosten avulla voidaan suoraan vertailla rakenteen kokemaa rasitusta materiaalin kestokykyyn. Esimerkiksi portaiden kaidetta analysoitaessa von Mises -jännitys osoitti selvästi, että jännitykset menivät yli sallitun rajan, kun kaiteeseen kohdistettiin 100 kilon (1 kN) vinottainen kuorma.
-
Jännityshuippujen paikantaminen: Analyysi auttaa löytämään mallista ne kohdat, joihin rasitus keskittyy voimakkaimmin. Tällaiset jännityshuiput kertyvät tyypillisesti kappaleiden teräviin särmiin tai ohutlevyosien nurkkiin. Näitä jännityksiä voi tutkia tarkasti liikuttamalla hiiren osoitinta mallin verkkopisteiden päällä.
-
Ohjaus rakenteen vahvistamiseen ja muokkaamiseen: Kun von Mises -jännityksen (sekä suuren siirtymän) perusteella todetaan, ettei malli kestä odotettua rasitusta, saadaan suora peruste suunnitelmien muuttamiselle. Tämän tiedon varassa rakennetta voidaan tukea ja muuttaa kestävämmäksi esimerkiksi vaihtamalla kaiteen materiaaliksi järeämpää putkea tai lisäämällä puuttuvia tukipisteitä, kuten kiinnittämällä rakenne lujemmin seinään.
Miten ohutlevyosien verkotus eroaa tavallisista solid-osista?
Lähteiden perusteella ohutlevyosien ja tavallisten solid-osien verkotuksen välillä ei kuvata olevan mitään eroa.
Päinvastoin lähteissä korostetaan, että ohutlevyosia voidaan käyttää FEA-laskennassa (osien ja kokoonpanojen analyysissä) täysin muuttamattomina alkuperäisosina, eikä niille tarvitse erikseen luoda erilaista tai yksinkertaistettua laskentamallia.
Ohutlevyosien laskenta suoritetaan täysin normaaleilla solid-ratkaisuilla. Niiden verkotukseen pätevät samat ohjeet kuin muidenkin osien:
-
Alustavaan testaukseen voidaan käyttää nopeampaa 4-solmuista verkkoa, ja lopullinen tarkka laskenta tehdään oletusarvoisella 10-solmuisella verkolla.
-
Oletusverkotuksella laskennan suorittaminen vie tyypillisesti minuutin tai pari.
-
Analyysissa kannattaa huomioida, että jännityshuiput kertyvät tyypillisesti ohutlevyosien nurkkiin. Näihin kohtiin verkotus saattaa myös muodostua melko tiheäksi tarkkojen tulosten saavuttamiseksi.
Miten portaiden reisiteräksiä pystyttiin keventämään analyysin avulla?
FEA-analyysin avulla portaiden reisiteräksiä pystyttiin keventämään optimoimalla niiden materiaalipaksuutta. Analyysi osoitti tarkasti rakenteen käyttäytymisen, minkä ansiosta reisistä saatiin poistettua huomattavasti ylimääräistä materiaalia.
Koko analyysin yhtenä keskeisenä tavoitteena olikin tutkia rakenteita juuri siksi, että varsinaiseen valmistukseen menevistä portaista saataisiin alkuperäisiä malleja paljon yksinkertaisemmat ja kevyemmät. Samalla menetelmällä pystyttiin optimoimaan myös itse askelmien paksuutta.