Каковы типичные неисправности в конструкции стрелового рычага?, и как их проверить

Соревнования по научной олимпиаде уже не за горами! Пришло время командам собрать свои проекты и проанализировать наиболее эффективные конструкции прошлых лет.. В этом году, мы хотели глубже изучить причины, по которым Boomilever может потерпеть неудачу, и что можно сделать, чтобы укрепить вашу структуру..

Проектирование бумилевера

Вы уже моделировали структуру в SkyCiv?? Рекомендуем начать с прочтения этой статьи: Как создать бумилевер в SkyCiv. Он покажет вам, как смоделировать и спроектировать вашу первую конструкцию, а также смоделировать работу вашего Boomilever. уравнения равновесия основаны на недеформированной геометрии ты построишь это!

В следующей статье речь пойдет о том, как протестировать и проанализировать вашу структуру., чтобы вы могли моделировать и заранее находить проблемы в вашей модели..

Наш дизайн

Самая важная часть вашего дизайна — это то, как вы организуете участников.. Собираетесь ли вы использовать ферму? Какой стиль фермы? Это окажет наибольшее влияние как на производительность вашей конструкции под нагрузкой, так и на ее общий вес.. Это самое важное решение, которое вам придется принять.

В этой статье, мы собираемся основывать наш дизайн на следующей упрощенной конструкции:

Он состоит из следующих элементов:

Источник: Бумилевер вики

А: Поддержка/База
В: Напряженные участники
С: Дистальный конец
D: Поперечины сжатия

Теперь давайте рассмотрим все способы, которыми эти участники могут потерпеть неудачу., и как мы можем помочь улучшить наш дизайн.

Случаи сбоя

Сбой сжатия

Силы сжатия – это силы, которые компресс член, или раздавить внутренности.

Мы хотим выбрать критерии неудачи, которые мы можем использовать.. Из нашей статьи мы знаем, что Напряжение разрушения пробкового дерева при сжатии составляет около 7 МПа. Потому что дерево — анизотропный материал., прочность зависит от качества древесины и направления ее волокон, но наше предположение о стрессе отказа будет хорошим практическим правилом для использования в этом проекте.

Наша цель — обеспечить, чтобы напряжение сжатия всех элементов сжатия не превышало 7 МПа. Маловероятно, что элемент выйдет из строя из-за чистого сжатия., но это важная концепция для понимания и важна для следующих проверок..

Натяжение

Растягивающие силы – это силы, вызывающие напряжение внутри члена, или вытянуть наружу

Бальзовая древесина в два раза прочнее на растяжение, чем на сжатие.. Крайне маловероятно, что конструкция выйдет из строя из-за чистых сил растяжения.. Мы можем игнорировать это как критерий неудачи..

Проверки ошибок

1. Отказ от напряжения при изгибе

Мы собираемся начать с напряжения изгиба, поскольку это распространенный случай отказа.. Как следует из названия, это происходит, когда элемент нагружен перпендикулярно его нейтральной оси. (Не Доступно) оно начнет сгибаться, вызывая распределение напряжений по поперечному сечению элемента. Явный признак происходящего изгиба, особенно в дереве, если отклонение элемента по его пролету от первоначальной формы.

В нашем случае, все деревянные элементы выпрямлены перед загрузкой, поэтому любое прогиб говорит нам о том, что элемент сгибается. Член, испытывающий изгибающее напряжение, будет выглядеть примерно так:

Верхняя часть члена находится в сжатом состоянии (-) и дно (+) находятся в напряжении. В “M” - это положительный момент силы, который в этом случае вызывает распределение напряжений..

 

Как определить отказ при изгибе

После запуска анализа Boomilever в Structural 3D, мы будем работать с постобработкой, или Окно решения. Вы можете использовать Настройки видимости в правой части экрана, чтобы предложить некоторые параметры просмотра/фильтрации..

Наша цель – проверить и убедиться, что напряжение сжатия при изгибе не превышает 7 МПа. Используйте право Видимость результатов возможность показать любые напряжения, указанные выше 7 МПа:

Этот тип неисправности можно увидеть на следующем видео.:

На видео видно, что стойки, соединяющие пояса растяжения и сжатия, выйдут из строя из-за сочетания изгиба и коробления.. Это совпадает с нашей моделью выше, которая показывает, что ключевые точки отказа находятся в этих соединениях..

 

Как укрепить устойчивость к сгибанию

Здесь мы видим, что есть четыре элемента, которые склонны к сгибанию. – поскольку их отрицательные значения превышают наш предел сжатия 7 МПа. Теперь, когда я определил этих более слабых членов, Я могу усилить их, увеличив высоту секции.:

Увеличение высоты элемента увеличит его момент инерции., свойство сечения, которое напрямую связано с прочностью поперечного сечения. В таком случае, по мере увеличения высоты члена, напряжение изгиба уменьшается, и наоборот. Представьте, что вы пытаетесь согнуть один и тот же кусок дерева., но с этими двумя формами, что будет труднее сломать?

Внеся это изменение, я смог уменьшить величину напряжения, вызываемого изгибающими силами, примерно до 6.7 МПа.

Другой вариант, заключается в добавлении поперечины, чтобы помочь распределить силу между другими элементами.. Это может добавить веса вашей конструкции, поэтому не всегда может быть предпочтительнее варианта. 1 (вам придется учитывать разницу при добавлении одного элемента в отличие от увеличения размера и веса секции нескольких элементов.. В таком случае, мы добавили распорку для усиления конструкции:

Очевидно, добавив, что один элемент жесткости помог более равномерно распределить силы по трем элементам.. Это даже облегчило чрезмерный стресс участников на другой стороне. (уменьшено с -7.31 в -4.895 МПа). Однако обратите внимание, как показано, это нарушит любую симметрию в вашей структуре..

Рисунок на этих элементах распорки (или элементы фермы) зависит от вашего дизайна. Вот некоторые типы ферм и их сильные и слабые стороны.

2. Потеря устойчивости

Это очень распространенная ошибка среди стройных., тонкие члены. коробление это режим отказа элемента конструкции, испытывающего высокие сжимающий напряжения, вызывающие внезапное отклонение в сторону. Представьте, что вы нажимаете на член вот так., Затем это пинает выходит и рушится вот так:

В случае с нашим бумилевером, относительное соотношение размеров поперечного сечения к длине элементов делает наши элементы более склонными к короблению. Мы можем проверить устойчивость, выполнив анализ потери устойчивости в программном обеспечении под Решить. Это проверит вашу модель, чтобы увидеть, подвержены ли какие-либо элементы риску коробления.:

Как следует из предупреждения, число меньше, чем 1 указывает на коробление. Так что наш Бумиливевер на данный момент в порядке с короблением.. Если были проблемы с провисанием, они будут отображаться в структуре как красные элементы, чтобы вы могли идентифицировать критические элементы и изменить свой проект..

Заметка: Выпучивание особенно важно в соревнованиях «Башни» на научной олимпиаде, поскольку участников колонны много..

3. Соединения/Опоры

Базовые и значимые связи (как твой дистальный конец) также должны быть разработаны заранее. Эта часть дизайна может обеспечить или разрушить успех вашей структуры.… буквально! Давайте сначала посмотрим на базу поддержки. Это соединяет два натянутых элемента с основной платой.. Ваша структура не должна давать сбоев в основании. Если вам нужна помощь с этим, Ссылаться на Руководство Айи по проектированию стрелового рычага, у него есть отличное руководство по эффективной конструкции основания, которое весит ~ 1,5 г и поддерживает 18-19 кг.

 

TL; ДР

Мы рекомендуем проверить следующее, чтобы выявить неисправности вашего Boomilever.:

• Определите любые напряжения, превышающие 7 МПа. Переключение между стресс результаты с пределом стресса 7 МПа для их идентификации. Если члены терпят неудачу, ты можешь попробовать:
  • Увеличить площадь поперечного сечения
  • Добавьте элементы раскосов
  • Изменение структуры конструкции или стиля фермы
• Выполните анализ потери устойчивости (особенно для колонн или вертикальных элементов) и найдите значение больше, чем 1
  • Укоротить длину члена
  • Увеличить площадь поперечного сечения
  • Добавляйте элементы распорки по пути
• Убедитесь, что у вас есть сильная база, это не должно быть причиной неудачи
  • Если это, ознакомьтесь с руководством Aia для создания надежной базовой конструкции.