Quais são as falhas comuns em uma estrutura boomilever, e como testá-los

A competição da Olimpíada de Ciências está chegando! É hora das equipes reunirem seus projetos e analisarem as estruturas com melhor desempenho dos anos anteriores. Este ano, queríamos analisar mais profundamente as razões pelas quais o Boomilever pode falhar e o que pode ser feito para fortalecer sua estrutura.

Projetando um Boomilever

Você já modelou uma estrutura no SkyCiv? Recomendamos que você comece lendo este artigo primeiro: Como projetar um Boomilever no SkyCiv. Ele mostrará como modelar e projetar sua primeira estrutura e simular o desempenho do seu Boomilever antes da você constrói!

O artigo a seguir falará sobre como testar e analisar sua estrutura, para que você possa simular e encontrar problemas em seu modelo com antecedência.

Nosso Projeto

A parte mais importante do seu design é a maneira como você organiza seus membros. Você vai usar uma treliça? Que estilo de Truss? Isso terá o maior impacto no desempenho da sua estrutura sob carga e no peso geral. É a decisão mais importante que você terá que tomar.

Neste artigo, vamos basear nosso design no seguinte design simplificado:

Isso é composto pelos seguintes elementos:

Fonte: Wiki Boomilever

A: Suporte/Base
B: Membros de tensão
C: Extremidade distal
D: Membros transversais de compressão

Agora vamos revisar para verificar todas as diferentes maneiras pelas quais esses membros podem falhar, e como podemos ajudar a fortalecer nosso design.

Casos de falha

Falha de compressão

As forças de compressão são aquelas que comprimir o membro, ou crush para dentro.

Queremos escolher um critério de falha que podemos usar. Pelo nosso artigo sabemos que o A tensão de falha de compressão da madeira Balsa é próxima 7 MPa. Porque a madeira é um material anisotrópico, a resistência depende da qualidade da madeira e da direção das fibras, mas nossa suposição de tensão de falha será uma boa regra para usar neste projeto

Nosso objetivo é garantir que todos os membros de compressão tenham uma tensão de compressão não superior a 7 MPa. É improvável que o membro falhe devido à compressão pura, mas este é um conceito importante para entender e é importante para as verificações abaixo.

Falha de tensão

As forças de tração são aquelas que induzem tensão dentro do membro, ou puxe para fora

A madeira de balsa é duas vezes mais forte em tensão do que em compressão. É altamente improvável que a estrutura falhe devido a puras forças de tensão. Podemos desconsiderar isso como um critério de falha.

Verificações de falha

1. Falha por tensão de flexão

Vamos começar com a tensão de flexão, pois é um caso de falha comum. Como o nome sugere, isso ocorre quando o membro é carregado perpendicularmente ao seu eixo neutro (NA em inglês) vai começar a dobrar, causando distribuição de tensão ao longo da seção transversal do membro. Um sinal óbvio de ocorrência de flexão, especialmente em madeira, se a deflexão do membro ao longo do seu vão em relação à sua forma original.

No nosso caso, todos os membros de madeira estão retos antes do carregamento, então qualquer deflexão nos diz que o membro está flexionando. Um membro experimentando tensão de flexão será parecido com isto:

O topo do membro está em compressão (-) e o fundo (+) estão em tensão. A “M” é a força de momento positiva que está induzindo a distribuição de tensões neste caso.

 

Como identificar falha de flexão

Depois de executar a análise do Boomilever em Structural 3D, operaremos a partir do pós-processamento, ou Janela de resolução. Você pode usar o Configurações de visibilidade no lado direito da tela para exibir algumas opções de visualização/filtragem.

Nosso objetivo é verificar e garantir que a tensão de compressão devido à flexão não exceda 7 MPa. Use o direito Visibilidade do resultado opção para mostrar quaisquer tensões que estejam acima 7 MPa:

Esse tipo de falha pode ser visto no vídeo a seguir:

O vídeo mostra que as escoras que conectam as cordas de tração e compressão irão falhar com uma combinação de flexão e flambagem. Isso coincide com nosso modelo acima, que mostra que os principais pontos de falha estão nessas conexões.

 

Como se fortalecer contra falhas de flexão

Aqui podemos ver que há quatro membros que estão sujeitos à falha por flexão – já que seus valores negativos excedem nosso limite de compressão de 7 MPa. Agora que identifiquei esses membros mais fracos, Posso fortalecê-los aumentando a altura da seção:

O aumento na altura do membro aumentará o seu momento de inércia, uma propriedade de seção que se relaciona diretamente com a resistência das seções transversais. Nesse caso, à medida que a altura do membro aumenta, a tensão de flexão diminui, e vice versa. Imagine tentar dobrar o mesmo pedaço de madeira, mas com essas duas formas, o que seria mais difícil de quebrar?

Ao fazer esta alteração, consegui reduzir a quantidade de tensão causada pelas forças de flexão para um máximo de cerca de 6.7 MPa.

Outra opção, é adicionar uma barra transversal para ajudar a distribuir a força por outra barra. Isso pode adicionar peso à sua estrutura, portanto nem sempre é preferível à opção 1 (você terá que considerar a diferença em adicionar um membro em vez de aumentar o tamanho da seção e o peso de vários membros. Nesse caso, adicionamos um membro de reforço para fortalecer a estrutura:

Outro exercício útil é observar tudo isso considerando a fórmula geral do círculo de momento de inércia, acrescentando que um membro de reforço ajudou a distribuir as forças de maneira mais uniforme ao longo dos três membros. Até aliviou o estresse excessivo dos membros do outro lado (reduzido de -7.31 para -4.895 MPa). Observe, no entanto, conforme mostrado, isso interromperá qualquer simetria em sua estrutura.

O padrão nesses membros de reforço (ou membros de treliça) depende do seu projeto. A curto prazo tipos de treliças e seus pontos fortes e fracos.

2. Falha de flambagem

Esta é uma falha muito comum em esbeltos, membros magros. Curvando é o modo de falha de um membro estrutural que sofre alta compressivo tensões que causam uma deflexão lateral repentina. Imagine empurrar para baixo um membro assim, então isso chutes para fora e desmorona assim:

No caso do nosso boomilever, a relação relativa entre as dimensões da seção transversal e o comprimento das barras torna nossas barras mais propensas à flambagem. Podemos testar a flambagem executando uma análise de flambagem no software em Resolver. Isso verificará seu modelo para ver se algum membro corre risco de empenar:

Como sugere o alerta, um número menor que 1 indica flambagem. Então nosso Boomiliever está OK no momento para empenar. Se houvesse algum problema de flambagem, eles apareceriam como membros vermelhos na estrutura para que você pudesse identificar os membros críticos e modificar seu projeto.

Observação: A flambagem é especialmente importante na competição das Torres das Olimpíadas de Ciências, pois há muitos membros da coluna.

3. Conexões/Suportes

A base e as conexões significativas (como sua extremidade distal) também deve ser projetado com antecedência. Esta parte do design pode fazer ou destruir o sucesso da sua estrutura… literalmente! Vejamos primeiro a base de apoio. Isso conecta dois membros em tensão à placa principal. Sua estrutura não deveria estar falhando na base. Se você precisar de ajuda com isso, referir-se Guia de Aia para projetar um boomilever, ele tem um ótimo guia sobre um design de base eficaz que pesa aproximadamente 1,5g e suporta 18-19 kg.

 

TL; DR

Recomendamos verificar o seguinte para identificar quaisquer áreas de falha do seu Boomilever:

• Identifique quaisquer tensões que excedam 7 MPa. Alternar entre Estresse resultados com um limite de tensão de 7 MPa para identificar estes. Se os membros estão falhando, podes tentar:
  • Aumentar a área da seção transversal
  • Adicionar membros de contraventamento
  • Alterar a formação da estrutura ou o estilo da treliça
• Execute uma análise de flambagem (especialmente para colunas ou membros verticais) e procure um valor maior que 1
  • Encurtar o comprimento do membro
  • Aumentar a área da seção transversal
  • Adicione membros de reforço ao longo do caminho
• Certifique-se de ter uma base forte, não deve ser a causa do fracasso
  • Se for, confira o guia de Aia para um design de base forte.