Taustaa

Nykyisin jääkiekkokaukaloiden suunnittelussa keskitytään yhä enemmän pelaajien turvallisuuteen ja siten kaukalon elastiseen käyttäytymiseen. Tämän päivän jääkiekkokaukaloita kutsutaankin ns. joustokaukaloiksi. Kaukalon joustoon vaikuttaa etenkin sen runkorakenne sekä yleisönsuojatolppien ja pleksien rakenne, materiaali ja kiinnitystavat.

Asiakkaamme Vepe on kehittänyt uuden sukupolven LED-kaukalon, jonka laitaelementtien runkorakenne mahdollistaa maksimaalisen pinta-alan sen sisään sijoitetuille näyttöpaneeleille. Asiakkaamme halusi varmistaa, että uuden kaukalon laitaelementtien runkorakenne tarjoaa riittävän joustavuuden sekä lujuuden verrattuna olemassa oleviin ja käytännössä hyviksi todettuihin kaukaloihin. Lisäksi haluttiin tutkia erilaisia yleisönsuojatolppien rakenne- ja kiinnitysvaihtoehtojen eroja jäykkyys- ja lujuusominaisuuksissa.

Alusta asti oli tärkeää, että lopullinen versio uudesta laitaelementistä ja sen runkorakenteesta testattaisiin myös käytännön iskukokeella. Mikäli konkreettinen iskukoe olisi ollut ainoa todentamismenetelmä, tuotekehitysprosessin aikana esiin tulleet rakenteen muutokset ja tätä myötä uuden testikappaleen valmistus olisivat tulleet kalliiksi ja vieneet huomattavan pitkän ajan. Tästä syystä uuden laitaelementin elastista käyttäytymistä haluttiin selvittää simuloimalla, jolloin rakenteen muutokset ja optimointi tuotekehityksen aikana onnistuisivat nopeasti ja mutkattomasti. Simuloinnin avulla saadaan jo etukäteen tietoa siitä, mitä testeissä on odotettavissa, ja täten voidaan säästyä useammalta testikierrokselta. Simuloinnin päätavoitteina olivat:

• Todentaa uuden laidan joustavuus ja lujuus verrattuna vanhaan laitarakenteeseen.
• Selvittää, mitkä yksityiskohdat vaikuttavat eniten laidan joustavuuteen.
• Vertailla erilaisten yleisönsuojatolppien rakenteita.

Samanaikainen lujuus ja joustavuus eivät ole toisiansa poissulkevia, vaikka ne yleensä käsi kädessä kulkevatkin (lujempi rakenne on usein myös jäykempi). Oikeilla ratkaisuilla voidaan esimerkiksi haluttujen rakenneyksityiskohtien käyttäytyminen saada nivelmäiseksi menettämättä kuitenkaan rakenteen kuormankantokykyä. Nyt tavoitteena oli erityisesti mahdollisimman hyvä rakenteen kokonaisvaltainen elastinen muodonmuutoskyky.

Toimenpiteet

Laitaelementin joustavuus- ja lujuuslaskenta toteutettiin yksinkertaisena staattisena analyysinä elementtimenetelmää (FEM) hyödyntäen. Analyysi toteutettiin vertailemalla uutta rakennetta olemassa olevaan rakenteeseen laatimalla molemmista rakenteista keskenään vertailukelpoiset kuorimallit. Koska analyysin lähtökohtana oli kahden erilaisen rakenteen vertailu, ei jääkiekkopelissä syntyviä dynaamisia kuormituksia (laitataklaus) tarvinnut analysoida raskaammilla dynaamisilla ratkaisijoilla.

Vaihe 1. Projektin ensimmäisessä vaiheessa vertailtiin laitaelementtien runkojen taipumaa ja jännityksiä toisiinsa. Olemassa olevan laitaelementin simulointituloksia käytettiin vertailukohtana uuteen, sillä se oli jo testeissä todennettu ja käytössä todettu riittävän joustavaksi ja lujaksi. Uuden rakenteen vertailu käytännössä hyväksi todettuun rakenteeseen kahdella eri laskentamallilla on erittäin tehokas tapa saada tietoa uuden rakenteen ominaisuuksista verrattuna vanhaan. Kun rakenteista muodostetaan vertailukelpoiset laskentamallit, ei esimerkiksi kuormituksien suuruuksiin tai reunaehtojen säätämiseen tarvitse käyttää määräänsä enempää aikaa. Lisäksi elementtimenetelmän avulla voidaan tehdä herkkyysanalyysia juuri halutuille muuttujille pitäen muut muuttujat vakioina, mikä on käytännön testeissä hyvin vaikeaa.

Vaihe 2. Toisessa vaiheessa tutkittiin tarkemmin laitaelementtien kiinnityspisteiden käyttäytymistä. Kiinnityksiä oli niin ikään parannettu uuteen rakenteeseen, joten myös niiden lujuus ja elastinen käyttäytyminen olivat tarkastelun alla.

Vaihe 3. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin yleisösuojatolppien käyttäytymistä ja vertailtiin erilaisia yleisönsuojatolppien rakenteita toisiinsa. Tämän analyysin tarkoituksena oli selvittää miten erilaiset rakennemuutokset vaikuttavat tolppien taipumaan sekä lujuuteen.

Tulokset

Analyysin tavoitteisiin päästiin suunnitellusti ja asiakkaallemme kertyi kattavasti uutta tietoa laidan käyttäytymisestä. Pääkohdat tuloksista olivat:

• Uusi laitaelementti todennettiin muutosten jälkeen riittävän joustavaksi ja lujaksi.
• Selvitettiin merkittävimmät yksityiskohdat rakenteen joustavuuden kannalta.
• Tunnistettiin laitaelementin heikoimmat kohdat, jotka toimivat ns. sulakkeina, suojaten tärkeitä komponentteja mahdollisen väärinkäytön aiheuttamilta vaurioilta. FEM-analyysin merkittävä etu käytännön testeihin on se, että heikoimman kohdan lisäksi voidaan selvittää myös seuraavaksi heikoimmat kohdat. Käytännön testeissä usein selviää vain kaikista heikoin yksityiskohta.
• Kattava tulosdata erilaisten yleisönsuojatolppien rakenteiden lujuus- ja joustavuuseroista.

Lisäksi laitojen mahdollista jatkokehitystä varten listattiin kehitysehdotuksia eri yksityiskohtiin, miten joustavuutta saisi entisestään optimoitua.

Tuloksien avulla asiakkaamme pystyi luottavaisin mielin testaaman uutta laitaelementtiä käytännössä. On hyvä pitää mielessä, että simulaatio ja käytännön testit eivät ole toisiaan poissulkevia, vaan toisiaan täydentäviä. Rakenteen simulointi on lähtökohtaisesti kannattavampaa tehdä ennen käytännön testejä, jolloin sitä voidaan optimoida jo tuotekehityksen alkuvaiheissa. Simuloinnista voi olla hyötyä myös jälkikäteen, jolloin esimerkiksi käytännön testeillä havaittuja ilmiöitä voidaan tutkia tarkemmin ja selvittää mitkä yksityiskohdat niihin vaikuttavat.

Uuden sukupolven LED-kaukalo on sittemmin lanseerattu ja otettu menestyksekkäästi käyttöön Tampereen uudella Nokia Arenalla. Kaukalolla on pelattu jo mm. jääkiekon SM-liigan finaalit ja se toimii myös kevään MM-kotikisojen päänäyttämönä.

VALMISTAJAN PUHEENVUORO

Vepe käynnisti uudentyyppisen älykaukalon tutkimushankkeen vuonna 2020 ja osallistui Business Finlandin rahoittamaan tutkimushankkeeseen. Tämän tutkimushankkeen tulosten pohjalta kehitetty uusi kaukalomalli on testattu laajasti joustavuuden, lujuuden ja iskujen osalta sekä simuloimalla että käytännön testein. Simuloinnilla pystyttiin nopeuttamaan tuotteen kehityshanketta ja löytämään tuotteen vaatimusmäärittelyiden mukaiset kustannustehokkaat ratkaisut.

Ensimmäinen kaupallinen Vepe Beta NextGen 360° LED -kaukalo lanseerattiin Tampereen Nokia Arenalla ja tuote on toiminut käytössä suunnitellusti. Kaukalossa on lähes saumattomasti 160 metriä LED-paneelia, mikä mahdollistaa reaaliaikaisen digitaalisen viestinnän. Kaukalo täyttää jo standardiksi muodostuneet joustokaukalon vaatimukset, minkä lisäksi kaukalo on suunniteltu nopeasti purettavaksi ja uudelleen asennettavaksi.

Stressfieldin tekemän laitaelementin joustavuus- ja lujuuslaskennan tulosten avulla pystyttiin ymmärtämään rakenteen toimivuus suhteessa aikaisemmin valmistettuun ja hyväksi todettuun laitaelementtimalliin. Tulokset auttoivat ymmärtämään eri ratkaisujen merkityksen ja ohjasi tuotekehitysprosessia valintoja tehtäessä. Yhteistyö Stressfieldin kanssa sujui hyvin ja oli tiivistä tutkimushankkeen aikana. Laskentatulosten avustamana löydettiin toimiva ja optimaalinen rakenne, jonka pohjalta valmistettiin kaupallinen tuote.

Janne Syvänen
suunnittelupäällikkö
Vepe