Portaan teräsaskelman lujuustarkastelu

Portaan teräsaskelman lujuustarkastelu Vertex FEA:lla (askel askeleelta)

Tämän artikkelin tarkoitus on näyttää, miten portaan teräsaskelma analysoidaan Vertexin lujuusanalyysillä niin, että asiakas saa luotettavan vastauksen nopeasti. Litteroinnin sisältö on tiivistetty käytännön ohjeiksi. Esimerkkitapauksessa askelmassa on 8 mm reikä ja sitä kuormitetaan ≈100 kg (noin 1 kN) käyttäjän painolla.

Tämä teksti on generoitu videon litteroinnin perusteella

1) Valitse oikea analyysityyppi

• Avaa malli Vertexissä ja käynnistä lujuusanalyysi (FEA).

• Analyysityypiksi: Osa (ei Palkki eikä Sauvarakenne), koska kyseessä on levyrakenne, jossa jännitykset ja taipumat jakautuvat pinnalle.

2) Esivalmistelu – geometrian siivous (tärkein vaihe verkotuksen onnistumiselle)

Verkotus epäonnistuu herkästi, jos kappaleissa on välyksiä tai irrallisia pintoja. Tee nämä ennen verkotusta:

• Poista välykset ja limitykset: liitä koskettavat pinnat toisiinsa (ei “ilmavälejä”).

• Yhdistä pikkutilkut: poista turhat, hyvin pienet kolmiot/nysät ja mikroskooppiset reunat.

• Reiät ja kierteet: jätä toiminnalliset reiät (kuten Ø8 mm); kierteiden yksityiskohtamalli on turha – korvaa sylinterireiällä.

• Paksuus: määritä askelman levyn paksuus oikein (esim. 4 mm), käytä mieluummin levy/shell-elementtiä kuin liian ohutta solidia.

Vinkki: Jos Vertex ilmoittaa heti, että “verkotus ei onnistu, kappaleet ovat irti”, vika on lähes aina välyksissä tai päällekkäisissä pinnoissa.

3) Materiaali

Valitse teräkselle sopiva materiaali:

• Esimerkki: S355 (tai muu yrityksenne normi).

• Varmista, että kimmokerroin E ≈ 210 GPa ja Poissonin luku ν ≈ 0,3 ovat oikein.

• Myötöraja esimerkiksi Re ≈ 355 MPa (tarkka arvo yrityksen materiaalikortista).

4) Reunaehdot (tuennat)

Mallinna todellinen kiinnitys:

• Jos askelma on hitsattu kantavaan runkoon: valitse vastaavat pinnat “kiinnitetyiksi” (Fixed/Encastre).

• Jos askelma pultataan:

  • Käytä reiän ympäryspintaa tai alusta, johon pultit kiristävät, ja mallinna se kiinnitettynä tai symmetria-/joustoehtona.

  • Yksityiskohtainen pulttimalli ei yleensä ole tarpeen perusmitoituksessa.

Huom: Älä kiinnitä liikaa – lukitse vain se, mikä oikeasti on tuettu. Ylikiinnitys pienentää taipumia epärealistisesti.

5) Kuormitus

Kuvaa käyttäjän paino sekä siihen liittyvä kosketus:

• Peruskuorma: F = 1,0 kN (≈100 kg).

• Jakotapa:

  • Tasainen pintakuorma askelman astumispinnalle (yleisin ja stabiilein), tai

  • Paikallinen kuorma kengän pohjaa vastaavalle alueelle (esim. 120 × 300 mm).

• Jos haluat turvallisemman arvion, lisää dynaaminen kerroin (esim. ×1,2) kiirehtivälle askeleelle.

6) Verkotus

• Elementtityyppi: levy/shell (ohutlevy).

• Elementtikoko: aluksi paksuuden 1–3× (esim. t=4 mm → 4–10 mm elementtikoko).

• Tiivistä verkkoa kriittisissä kohdissa: reiän ympärillä, tuentapintojen lähellä ja geometrisissa kuroumien kohdissa.

• Aja verkkoriippuvuustesti: pienennä elementtikokoa ja varmista, että maksijännitys/taipuma ei muutu olennaisesti.

7) Ratkaisu

• Aja lineaarinen staattinen analyysi (riittää useimpiin askelmiin).

• Varmista, ettei ratkaisu anna varoituksia kontakti- tai konvergenssiongelmista. Jos antaa, palaa kohtiin 2–5.

8) Tulosten tulkinta

Tarkastele vähintään nämä:

1. Siirtymät (taipuma)

   • Lue maksimi Wmax astumispinnan keskeltä.

   • Vertaa sisäiseen ohjearvoon (esim. L/300 tai yrityksen oma raja, tyypillisesti muutamia millejä portaissa).

2. Jännitykset

   • Tarkastele von Mises -jännitystä.

   • Vältä tulkitsemasta verkon reuna-/kulmapiikkejä (paikallisia numeerisia singulaarisuuksia). Katso keskiarvoistettuja arvoja tai raportoi jännitys hieman reiän reunan ulkopuolelta.

   • Varmista Sääturva:
     [
     \text{Sääturva} = \frac{R_e}{\sigma_{vM,;hyväksytty}} \quad \Rightarrow \quad \text{tavoite yleensä} \ge 1{,}2\text{–}1{,}5
     ]
     (Organisaationne ohjeen mukaan.)

3. Kriittiset kohdat

   • Reiän ympäristö, tuentapinnat ja mahdolliset lovet.

   • Jos jännitykset ylittävät Re, kasvata paksuutta, lisää jäykiste tai muuta kiinnitystapaa.

9) Mitä jos 4 mm ei riitä?

Litteroidussa esimerkissä pohdittiin, onko 4 mm levy “kestävä”. Käytä yllä olevaa työnkulkua ja tee nopea vertailuanalyysi:

• Vaihda paksuus 4 mm → 5 mm → 6 mm ja toista ratkaisu.

• Tee taulukko: paksuus – Wmax – σvM – Sääturva.

• Valitse pienin paksuus, joka alittaa taipumarajan ja täyttää sääturvan.

10) Raportointi

Tallenna ja liitä projektiaineistoon:

• Mallin versio ja paksuus, materiaalikortti, reunaehdot, kuormitus, verkkoasetukset.

• Kuvakaappaukset siirtymäkartasta (skaala, mitta) ja von Mises -jännityksistä (legendat näkyvissä).

• Taulukko tuloksista ja johtopäätös: “Askellama t=4 mm täyttää/ei täytä vaatimuksia. Suositus: t=… mm tai jäykiste.”

11) Tyypillisimmät virheet ja korjaukset

• Verkotus epäonnistuu → välyksiä tai irtopintoja → palaa kohtaan 2.

• Ylisuuret taipumat → liian löysä tuki (reunaehto väärin) tai liian pieni paksuus → tarkista 4 & 9.

• Jännityspiikit reiän reunassa → luonnollinen numeerinen ilmiö → tarkastele hieman reunan ulkopuolelta, käytä keskiarvoistusta ja hienonna verkkoa.

• Ylikiinnitys → taipumat liian pieniä → lukitse vain realistisesti tuetut suunnat/pinnat.

• Solid-elementit ohuessa levyrakenteessa → jäykkyys vääristyy → käytä shelliä.

12) Pikaohje (checklist)

1. Ota analyysiksi Osa.

2. Siivoa välykset ja turhat mikropinnat.

3. Aseta materiaali (esim. S355).

4. Määritä tuennat realistisesti (hitsit/pultit).

5. Lisää 1 kN kuorma askelmapinnalle (tarvittaessa dynaaminen kerroin).

6. Shell-verkko, koko ~ t…3t, tihennys reiän ja tuentojen ympärille.

7. Aja ratkaisu, tarkista Wmax ja σvM.

8. Laske sääturva, tee johtopäätös ja raportoi.

Usein kysyttyä

Voinko mallintaa pultit tarkasti?
Perusmitoituksessa riittää, että tuet mallinnetaan reikä- tai kontaktipinnan kautta. Tarkka pulttimalli kannattaa vasta detaljitutkimuksissa.

Miten mallinnan 100 kg askeleen oikein?
Käytä 1 kN pintakuormaa askelman astumispinnalle. Jos haluat konservatiivisemman arvion, kerro 1,2:lla (kiirehtivä askel).

Entä jos askelma resonoi?
Tee lisäksi ominaistaajuusanalyysi ja varmista, ettei käyttötaajuus osu lähelle omaa taajuutta. (Ei yleensä tarpeen peruslujuustarkastelussa.)

Yhteenveto

Kun valitset Osa-analyysin, siivoat geometrian, mallinnat todelliset tuennat, kuormitat askelman 1 kN:lla ja käytät shell-verkkoa, saat luotettavan kuvan askelman taipumasta ja jännityksistä. Tämän perusteella päätät, riittääkö esimerkiksi 4 mm levy vai tarvitaanko paksumpi tai jäykiste.

Related Articles