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Come verificare guasti comuni di Boomilever

Quali sono i guasti più comuni in una struttura boomilever, e come testarli

Le Olimpiadi della Scienza sono ormai alle porte! È tempo che i team raccolgano i propri progetti e rivedano le strutture più performanti degli anni precedenti. Quest'anno, volevamo dare uno sguardo più approfondito ai motivi per cui Boomilever può fallire e cosa si può fare per rafforzare la tua struttura.

Progettare un Boomilever

Hai già modellato una struttura in SkyCiv? Ti consigliamo di iniziare leggendo prima questo articolo: Come progettare un Boomilever in SkyCiv. Ti mostrerà come modellare e progettare la tua prima struttura e simulare le prestazioni del tuo Boomilever prima lo costruisci tu!

Il seguente articolo parlerà di come testare e analizzare la tua struttura, in modo da poter simulare e individuare i problemi nel modello in anticipo.

La nostra progettazione

La parte più importante del tuo progetto è il modo in cui disponi i tuoi membri. Utilizzerai un traliccio? Che stile di traliccio? Ciò avrà il massimo impatto sia sulle prestazioni della struttura sotto carico che sul peso complessivo. È la decisione più importante che dovrai prendere.

In questo articolo, baseremo il nostro progetto sul seguente progetto semplificato:

scienza-olimpiadi-skyciv-tutorial-wireframe-boomilever

Questo è composto dai seguenti elementi:

fonte: Wiki di Boomilever

A: Base di appoggio
B: Membri in tensione
C: Fine distale
D: Traverse di compressione

Ora esaminiamo per verificare tutti i diversi modi in cui questi membri possono fallire, e come possiamo aiutare a rafforzare il nostro design.

Casi di fallimento

Fallimento della compressione

Le forze di compressione sono quelle che comprimere il membro, o schiacciare verso l'interno.

Vogliamo scegliere un criterio di fallimento che possiamo usare. Dal nostro articolo sappiamo che il Lo stress da cedimento da compressione del legno di balsa è intorno 7 MPa. Perché il legno è un materiale anisotropo, la resistenza dipende dalla qualità del legno e dalla direzione delle venature, ma la nostra ipotesi di stress da cedimento sarà una buona regola pratica da utilizzare in questo progetto

Il nostro obiettivo è garantire che tutti gli elementi di compressione abbiano uno stress di compressione non superiore a 7 MPa. È improbabile che l'elemento ceda a causa della pura compressione, ma questo è un concetto importante da comprendere ed è importante per i controlli seguenti.

Guasto alla tensione

Le forze di trazione sono quelle che inducono tensione all'interno del membro, o tirare verso l'esterno

Il legno di balsa è due volte più resistente alla tensione che alla compressione. È altamente improbabile che la struttura ceda a causa delle pure forze di tensione. Possiamo ignorare questo come un criterio di fallimento.

Controlli di fallimento

1. Rottura da sollecitazione di flessione

Inizieremo con lo stress da flessione poiché è un caso di fallimento comune. Come suggerisce il nome, ciò si verifica quando l'elemento viene caricato perpendicolarmente al suo asse neutro (NA) inizierà a piegarsi, provocando la distribuzione delle sollecitazioni lungo la sezione trasversale dell'elemento. Un evidente segno di piegatura, particolarmente nel legno, se la deflessione dell'elemento lungo la sua campata rispetto alla sua forma originale.

Nel nostro caso, tutti i membri in legno sono diritti prima del caricamento, quindi qualsiasi deflessione ci dice che il membro si sta piegando. Un membro che sperimenta uno stress da flessione avrà un aspetto simile a questo:

Sollecitazione a trazione o compressione

La parte superiore dell'elemento è in compressione (-) e il fondo (+) sono in tensione. Il “M” è la forza del momento positivo che induce la distribuzione dello stress in questo caso.

 

Come identificare il fallimento della flessione

Dopo aver eseguito l'analisi del Boomilever in Structural 3D, opereremo dalla post-elaborazione, o Finestra Risolvi. Puoi usare il Impostazioni di visibilità sul lato destro dello schermo per richiedere alcune opzioni di visualizzazione/filtro.

Il nostro obiettivo è controllare e garantire che lo stress di compressione dovuto alla flessione non superi 7 MPa. Usa il diritto Visibilità dei risultati opzione per mostrare eventuali sollecitazioni superiori 7 MPa:

consigli e suggerimenti per le olimpiadi scientifiche sulla flessione dello stress

Questo tipo di guasto può essere visto nel seguente video:

Esempio di fallimento delle Olimpiadi della scienza

Il video mostra che i montanti che collegano le corde di tensione e compressione falliranno con una combinazione di flessione e deformazione. Ciò coincide con il nostro modello sopra che mostra che i punti chiave di fallimento si trovano in queste connessioni.

 

Come rinforzarsi contro la cedimento da flessione

Qui possiamo vedere che ci sono quattro membri inclini al cedimento da flessione – poiché i loro valori negativi superano il nostro limite di compressione di 7 MPa. Ora che ho identificato questi membri più deboli, Posso rafforzarli aumentando l'altezza della sezione:

cambio sezione di piegatura

L'aumento di altezza del membro aumenterà il suo momento di inerzia, una proprietà della sezione che è direttamente correlata alla resistenza delle sezioni trasversali. In questo caso, man mano che l'altezza del membro aumenta, lo sforzo di flessione diminuisce, e viceversa. Immagina di provare a piegare lo stesso pezzo di legno, ma con queste due forme, che sarebbe più difficile da rompere?

Apportando questa modifica sono stato in grado di ridurre la quantità di stress causata dalle forze di flessione a un massimo di circa 6.7 MPa.

Un'altra opzione, è aggiungere una traversa per aiutare a distribuire la forza su un altro membro. Ciò potrebbe aggiungere peso alla tua struttura, quindi potrebbe non essere sempre preferibile rispetto all'Opzione 1 (dovrai considerare la differenza nell'aggiungere un membro rispetto all'aumento delle dimensioni della sezione e del peso di più membri. In questo caso, abbiamo aggiunto un elemento di rinforzo per rafforzare la struttura:

aggiunta di un membro di controvento

Chiaramente, aggiungendo che un elemento di rinforzo ha contribuito a distribuire le forze in modo più uniforme lungo i tre elementi. Ha persino alleviato le sollecitazioni eccessive dei membri sull'altro lato (ridotto da -7.31 per -4.895 MPa). Nota comunque, come mostrato, questo interromperà qualsiasi simmetria nella struttura.

Il modello su questi elementi di rinforzo (o membri di travatura reticolare) dipende dal tuo design. Eccotene alcune tipi di capriate e dei loro punti di forza e di debolezza.

2. Fallimento di instabilità

Questo è un fallimento molto comune per le persone snelle, membri sottili. instabilità è la modalità di cedimento di un elemento strutturale che presenta un livello elevato compressivo sollecitazioni che provocano un'improvvisa deflessione laterale. Immagina di spingere verso il basso un membro in questo modo, allora calci fuori e crolla così:

Nel caso del nostro boomilever, il rapporto relativo tra le dimensioni della sezione trasversale e la lunghezza delle membrature rende le nostre membrature più soggette a deformazioni. Possiamo testare l'instabilità eseguendo un'analisi dell'instabilità nel software di seguito Risolvere. Questo controllerà il tuo modello per vedere se qualche membro è a rischio di cedimento:

Risultato dell'analisi di instabilità

Come suggerisce l'avviso, un numero inferiore a 1 indica instabilità. Quindi il nostro Boomiliever al momento è OK per deformarsi. Se ci fossero problemi di deformazione, verrebbero visualizzati come membri rossi sulla struttura in modo da poter identificare i membri critici e modificare il progetto.

Nota: L'instabilità è particolarmente importante nella competizione delle Torri delle Olimpiadi della Scienza poiché ci sono molti membri della colonna.

3. Connessioni/Supporti

La base e le connessioni significative (come la tua estremità distale) dovrebbero anche essere progettati in anticipo. Questa parte del progetto può creare o distruggere il successo della tua struttura… letteralmente! Diamo prima un'occhiata alla base di supporto. Questo collega due membri in tensione alla scheda principale. La tua struttura non dovrebbe cedere alla base. Se hai bisogno di aiuto con questo, fare riferimento a La guida di Aia sulla progettazione di un boomilever, ha un'ottima guida su un design di base efficace che pesa circa 1,5 g e supporta 18-19 kg.

 

TL; DR

Ti consigliamo di controllare quanto segue per identificare eventuali aree di guasto del tuo Boomilever:

  • Individuare eventuali sollecitazioni eccedenti 7 MPa. Passare da un file all'altro Fatica risultati con un limite di stress di 7 MPa per identificarli. Se i membri falliscono, Puoi provare:
    • Aumentare l'area della sezione trasversale
    • Aggiungere elementi di controvento
    • Modificare la formazione della struttura o lo stile della capriata
  • Eseguire un'analisi di instabilità (soprattutto per colonne o elementi verticali) e cercare un valore maggiore di 1
    • Ridurre la lunghezza del membro
    • Aumentare l'area della sezione trasversale
    • Aggiungi elementi di rinforzo lungo il percorso
  • Assicurati di avere una base forte, non dovrebbe essere la causa del fallimento
    • Se è, dai un'occhiata alla guida di Aia per un design di base forte.
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