hibaby

Lujuuslaskenta (FEM)

Tavoitteena rakenteen muodon ja materiaalinkäytön optimointi sekä kestävyyden varmentaminen.

Teknisen laskennan palvelumme toteutetaan useimmiten tietokoneavusteista FEM-laskentaa käyttäen. Laskennalla pyritään rakenteen muodon ja materiaalinkäytön optimoimiseen sekä rakenteen kestävyyden varmentamiseen. Teknisen laskennan avulla voi hakea ratkaisuja useisiin erilaisiin ongelmiin. Alla muutama esimerkkitapaus aikaisemmista projekteistamme:

Rakenteen siirtymien ja jännitysten laskenta

Perinteisen lujuuslaskennan keinoin saadaan selvitettyä rakenteen siirtymät ja jännitykset.

Stressfield Oy voi tarjota sekä lineaarista, että epälineaarista staattista analyysia.

Lineaarinen analyysi on eniten käytetty analyysimuoto. Sitä voidaan käyttää esimerkiksi mitoitettaessa rakenteita eri normien perusteella tai siitä saatavia tuloksia voidaan käyttää jatkotarkasteluiden (väsymisanalyysi, murtumisanalyysi) lähtötietoina.

Epälineaarisella analyysilla voidaan saada luotettavia tuloksia myös tilanteissa joissa

  • rakenteen siirtymät ovat suuria
  • materiaalin suhteellisuusraja ylitetään
  • rakenneosat ovat kontaktissa toistensa kanssa.
FEM-lujuuslaskenta-offshore_1

Lineaarinen analyysimalli (offshore)

Lineaarinen analyysimalli (liikkuva nostokone)

Värähtelyt (ominaistaajuudet, iskumaiset kuormat)

Värähtelylaskentamme on joko ominaistaajuuksien tai dynaamisten vasteiden laskentaa.

Dynaamisten vasteiden laskennassa kuormitus voi olla harmoonista herätettä tai esimerkiksi nopea shokkimainen kuorma. Laskennan tuloksena saadaan märitettyä taajuudet ja ominaismuodot, joilla rakenne pyrkii värähtelemään (ominaistaajuusanalyysi) tai dynaamisesta kuormituksesta johtuvat siirtymät, nopeudet, kiihtyvyydet ja jännitykset (dynaaminen vasteanalyysi).

Kuormitusten määrittely ja tulosten tulkinta muodostavat oleellisen osan laskentaa. Apuna kuormitusten määrittelyssä käytetään usein kiihtyvyys- tai liuskamittauksia.

Sihtirummun malli ja dynaaminen pyörivä painekuorma sihtirummussa

Nurjahdus, lommahdus ja muut stabiliteettiongelmat

Stabiliteettilaskennan avulla tutkitaan rakenteen herkkyyttä nurjahdus-, lommahdus tai kiepahdusilmiöiden johdosta tapahtuvalle kantokyvyn menetykselle. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat esimerkiksi rakennusten rungot, sillat, varastot, siilo- ja säiliörakenteet, nostokoneiden puomit ja monet muut taivutus- tai puristuskuormaa kantavat rakenteet.

Lineaarista stabiliteettilaskentaa käytetään usein silloin, kun rakenteen kantokykyä arvioidaan jonkin standardin pohjalta.

Epälineaarisella laskennalla voidaan selvittää esimerkiksi alkumuodonmuutosten (lommot, kaarevuus) vaikutusta levykenttien kantokykyyn. Myös epäsäännöllisen muotoisten levykenttien analysointi vaatii usein epälineaarista analyysia.

Lineaarinen nurjahdusanalyysi (ominaisarvo)

Lämmön siirtyminen, lämpöjännitykset

Lämpölaskennan avulla tutkitaan lämmön siirtymistä rakenteessa. Lämmön siirtyminen voi tapahtua johtumalla, säteilemällä tai konvektiolla. Analyysi voi olla joko vakiolämmönsiirtymisanalyysi tai transientti lämmönsiirtymisanalyysi.

Konvektion ollessa merkittävässä roolissa, voidaan lämpölaskentaan käyttää CFD -laskentaa (virtaussimulointi), jolloin virtauksen vaikutus voidaan ottaa tarkemmin huomioon. Tarkempia tietoja virtauslaskennasta ja sen hyödyntämisestä lämpöanalyseihin löydät täältä.

Lämpötilajakauma komposiittisäiliön pohjassa (vakiolämmönsiirtolaskenta)

Nopeat ilmiöt (esim. miinaräjähdys)

Erittäin nopeiden tai voimakkaasti epälineaaristen tapahtumien analyysiin käytämme eksplisiittistä laskentaa. Esimerkkejä ovat esimerkiksi törmäykset, nesteen ja rakenteen interaktio, ROPS/FOPS-kokeet, valmistusprosessit, pudotuskokeet sekä räjähdykset.

Case Sisu-auto, miinakilven optimointi

Stressfield Oy on ollut Sisu-auton yhteistyökumppani miinakilpien kehittämisessä. Analyysien tavoitteena on ollut varmistaa, ettei paineaalto pääse läpäisemään kilpeä. Toisin sanoen halutaan varmistaa ettei miinakilpeen tule reikiä, jotka olisivat kohtalokkaita ajoneuvon hytissä olevien ihmisten kannalta. Lisäksi on haluttu minimoida ohjaamoon räjähdyksen seurauksena aiheutuvia kiihtyvyyksiä

Panssaroidun ajoneuvon miinakilven laskenta (räjähdyksen simulointi) vas.= simulointi oik. = testi

Materiaalien muovaus (valssaus, plastinen muovaus)

Materiaalien muovauksen simulointi vaatii epälineaarisen laskennan käyttämistä. Laskenta voidaan tehdä joko eksplisiittisesti tai implisiittisesti.

Tyyppillisiä esimerkkikohteita on syväveto, valssaus, prässäys, liittäminen sekä hitsauksen simulointi. Analyysin avulla saadaan selville muun muassa kappaleen lopullinen muoto (takaisinjoustot), jäännösjännitysten jakautuminen ja suuruus muokkauksen jälkeen sekä työhön tarvittavat voimat.

RHS-profiilin kylmämuovaus

Rakenteen kestoiän määritys (väsyminen, viruminen)

Rakenteiden kestoiän kannalta ratkaiseva vauriomekanismi on useimmiten väsyminen.

Stressfield Oy on erikoistunut rakenteiden kestoiän määrittämiseen. Kestoiän määrittäminen voidaan tehdä joko perinteisen väsymisanalyysin tai murtumismekaanisen analyysin keinoin.

Väsymisanalyysissa voidaan käyttää hyväksi eri normeja (esim. EN, DNV) tai yleisesti tunnustettuja tutkimustuloksia ja suosituksia (esim. IIW).

Murtumismekaanista analyysia voidaan käyttää silloinkin, kun kestävyyttä ei voida arvioida normien tai suositusten perusteella (ei-luokitellut detaljit, hitsin juurenpuolen väsyminen).

Kestoiän määritykseen liittyy useimmiten myös kestoiän parantaminen. Annamme suosituksia siitä, miten rakennetta pitäisi muuttaa, että haluttu kestoikä saavutetaan.

Nostopuomin ekvivalentti jännitysvaihtelu

Kriittisen särö- tai vikakoon määritys

Tarkastuksessa löydetään usein rakenteesta alkuvikoja joiden koko ylittää normaalit laatuvaatimukset. Käyttöönsoveltuvuusanalyysin avulla voidaan arvioida, täyttääkö rakenne silti asetetut vaatimukset ja voidaanko sitä käyttää turvallisesti aiottuun tarkoitukseen.

Tällaisessa työssä voidaan käyttää apuna kriittisen särökoon määritystä.

Analyysin tuloksena saadaan tieto siitä, onko havaittu vika niin suuri, että se johtaisi vaurion etenemiseen käytön aikana.

Päätös rakenteen soveltuvuudesta käyttöön tehdään vertaamalla laskennallista jännitysintensiteettiä materiaalin kynnysintensiteettiarvoon.

Nostopuomin ekvivalentti jännitysvaihtelu

Joitakin analyysissa käytettäviä kaavoja

Isku- ja tärinäkokeiden simulointi

Monilta liikkuvaan kalustoon liitettäviltä laitteilta, esim. instrumenteilta, vaaditaan tiettyjen isku- tai tärinävaatimusten täyttämistä. Useimmiten tämä on todistettava jonkin standardin mukaisella isku- tai tärinäkokeella.

Näiden vaatimusten täyttäminen on usein vaikeaa ja tuotteen kehittäminen vaatimukset täyttäväksi vaatii useita iteraatiokierroksia. Varsinkin värähtelyväsymislujuuden varmentaminen vie runsaasti aikaa perinteisiä tuotekehitysmenetelmiä käyttäen.

Olemme simuloineet lyhytaikaisia iskukokeita ja pitkäaikaisia tärinäkokeita esim. laivoihin ja juniin tuleville laitteille. Simuloimalla on saatu hyviä tuloksia ja tuotekehitysaika on lyhentynyt. Jälkeenpäin tehdyt hyväksyttämiskokeet ovat varmentaneet lopputuotteen vaatimustenmukaisuuden.

Rakenteen PSD-vasteita (MPa^2/Hz)

Lujuusanalyysien tulosten raportoinnin lisäksi annamme mielellämme neuvoja rakenteen parantamiseksi tai optimoimiseksi. Kirjoitamme myös asiantuntijalausuntoja tarvittaessa (esim. käyttöönsoveltuvuusarviointeja rakenteille, joissa on havaittu valmistusvirhe tai muu poikkeama alkuperäisestä laadusta).

Käytössämme on laskentaohjelmat MSC.Nastran, NX.Nastran, MSC.MARC, ANSYS Professional ja LS-Dyna sekä mallinnus/jälkikäsittelyohjelmat FEMAP, NX6, Space Claim ja MSC.Patran.

Painelaitteiden standardin EN 13445 mukaiseen laskentaan käytämme Visual Vessel Design (VVD) -ohjelmaa.