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如何测试常见的Boomilever故障

繁荣结构中的常见故障有哪些, 以及如何为他们测试

科学奥林匹克竞赛指日可待! 现在是团队收集他们的设计并审查前几年表现最佳的结构的时候了. 今年, 我们想更深入地了解 Boomilever 失败的原因以及可以采取哪些措施来加强您的结构.

设计 Boomilever

你有没有在 SkyCiv 中建立结构模型? 我们建议您先阅读本文: 如何在 SkyCiv 中设计 Boomilever. 它将向您展示如何建模和设计您的第一个结构并模拟 Boomilever 的性能 你建造它!

下面的文章会讲到如何测试和分析你的结构, 这样您就可以提前模拟并发现模型中的问题.

我们的设计

设计中最重要的部分是你安排成员的方式. 你要用桁架吗? 什么风格的桁架? 这将对您的结构在负载下的性能和整体重量产生最大的影响. 这是您必须做出的最重要的决定.

在这篇文章中, 我们将基于以下简化设计进行设计:

科学奥林匹克-skyciv-教程-线框-boomilever

这由以下元素组成:

资源: Boomilever 维基

一个: 支持/基地
乙: 紧张成员
C: 远端
d: 压缩横梁

现在让我们回顾一下这些成员失败的所有不同方式, 以及我们如何帮助加强我们的设计.

失败案例

压缩失败

压缩力是那些 压缩 成员, 要么 压碎 向内.

我们想选择一个我们可以使用的失败标准. 从我们的文章中我们知道 轻木的压缩失效应力就在身边 7 兆帕. 因为木材是各向异性材料, 强度取决于木材的质量及其纹理方向, 但我们的失效应力假设将是本设计中使用的一个很好的经验法则

我们的目标是确保所有受压构件的压应力不大于 7 兆帕. 成员不太可能因纯压缩而失败, 但这是一个需要理解的重要概念,对于以下检查也很重要.

张力失效

张力是那些诱导 紧张 会员内, 要么 向外拉

轻木的抗拉强度是抗压强度的两倍. 由于纯粹的张力,结构极不可能失效. 我们可以忽略它作为失败标准.

失败检查

1. 弯曲应力失效

我们将从弯曲应力开始,因为它是常见的故障案例. 顾名思义, 当构件垂直于其中性轴加载时会发生这种情况 (不适用) 它会开始弯曲, 导致沿构件横截面的应力分布. 发生弯曲的明显迹象, 特别是在木材中, 如果构件沿其跨度偏离其原始形状.

就我们而言, 所有木构件在装载前都是直的, 所以任何偏转都告诉我们该成员正在弯曲. 承受弯曲应力的成员看起来像这样:

拉伸或压缩弯曲应力

成员的顶部处于压缩状态 (-) 和底部 (+) 处于紧张状态. 的 “中号” 是在这种情况下引起应力分布的正力矩.

 

如何识别弯曲失败

在 Structural 3D 中运行 Boomilever 分析后, 我们将从后期处理开始操作, 要么 解决窗口. 您可以使用 可见性设置 在屏幕右侧提示一些查看/过滤选项.

我们的目标是检查并确保弯曲引起的压缩应力不超过 7 兆帕. 使用正确的 结果可见性 显示上述任何压力的选项 7 兆帕:

弯曲应力科学奥林匹克竞赛技巧和提示

这种类型的故障可以在下面的视频中看到:

科学奥林匹克失败的例子

该视频显示连接拉伸和压缩弦杆的支柱将因弯曲和屈曲的组合而失效. 这与我们上面的模型一致,显示关键故障点在这些连接处.

 

如何加强抗弯曲失效

在这里我们可以看到有四个构件容易发生弯曲失效 – 因为它们的负值超过了我们的压缩限制 7 兆帕. 既然我已经确定了这些较弱的成员, 我可以通过增加截面高度来加强它们:

弯曲截面变化

杆件高度的增加会增加其转动惯量, 与横截面强度直接相关的截面属性. 在这种情况下, 随着成员高度的增加, 弯曲应力减小, 反之亦然. 想象一下试图弯曲同一块木头, 但是有了这两种形状, 哪个更难打破?

通过进行此更改,我能够将弯曲力引起的应力减少到最大约 6.7 兆帕.

另外一个选择, 是添加一个横梁以帮助将力分布到另一个横梁上. 这可能会增加您的结构的重量,因此可能并不总是比 Option 更可取 1 (您必须考虑添加一个成员与增加多个成员的部分大小和权重的区别. 在这种情况下, 我们增加了一个支撑构件来加强结构:

添加支撑构件

以及空心圆截面的惯性矩公式, 补充说,一个支撑构件有助于将力更均匀地分布在三个构件上. 甚至缓解了另一边成员的过度压力 (从减少 -7.31 至 -4.895 兆帕). 但是请注意, 如图所示,这会破坏结构中的任何对称性.

这些支撑构件上的图案 (或桁架成员) 取决于你的设计. 这里有一些 桁架类型 以及他们的长处和短处.

2. 屈曲失败

这是苗条很常见的故障, 瘦成员. 屈曲 是经历高的结构构件的失效模式 压缩的 引起突然的横向偏斜的应力. 想象一下像这样向下推一个成员, 然后它 像这样崩溃:

就我们的 boomilever 而言, 横截面尺寸与构件长度的相对比例使我们的构件更容易屈曲. 我们可以通过在下面的软件中运行屈曲分析来测试屈曲 解决. 这将检查您的模型以查看是否有任何成员有屈曲的风险:

屈曲分析结果

如警报所示, 一个数字小于 1 表示屈曲. 所以我们的 Boomiliever 目前可以屈曲. 如果有任何屈曲问题, 它们会在结构中显示为红色成员,以便您可以识别关键成员并修改您的设计.

注意: 屈曲在科学奥林匹克的塔竞赛中尤为重要,因为有很多专栏成员.

3. 连接/支持

基础和重要联系 (就像你的远端) 也应该提前设计. 这部分设计可以成就或破坏您的结构的成功… 字面上地! 我们先来看看支持基础. 这将两个紧张的成员连接到主板. 你的结构不应该在基础上失败. 如果你需要一些帮助, 参考 Aia 的动臂杆设计指南, 它有一个关于重量约为 1.5 克并将支持的有效基础设计的重要指南 18-19 公斤.

 

TL; DR

我们建议检查以下内容以确定 Boomilever 的任何故障区域:

  • 识别任何超过的应力 7 兆帕. 切换通过 强调 应力极限为 7 MPa 来识别这些. 如果成员失败, 你可以试试:
    • 增加横截面面积
    • 添加支撑构件
    • 更改结构形式或桁架样式
  • 运行屈曲分析 (特别是对于柱子或垂直构件) 并寻找大于的值 1
    • 缩短成员的长度
    • 增加横截面面积
    • 沿途添加支撑构件
  • 确保你有一个强大的基础, 它不应该是失败的原因
    • 如果是, 查看 Aia 的强大基础设计指南.
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