Siin sipleb kukkunud Siemen Hegstad Krüger 2018. aasta taliolümpiamängudel. Foto: KAI PFAFFENBACH / X00446
Stian Mork &
Eirin Holmstrøm
Seda nähtust nimetatakse nõtkumiseks (buckling) ning see tekib siis, kui konstruktsioon kokku variseb ning oma kandevõime kaotab. Olime uudishimulikud ja tegime selle teemaga seoses mõned virtuaalsed testid, et näha, mis tegelikult juhtub.
Talispordi aeg on jälle käes ning põhjamaade inimesed on suusatamises eriti tugevad.
Suusapordiga tegelemiseks on vaja paari suuski (mis kinnitatakse jalgade külge) ning paari suusakeppe (mis kinnitatakse käte külge), ning just neid suusakeppe vaatleme oma uurimuses lähemalt.
See oli Pyeongchangi 2018. aasta taliolümpiamängude 30 km murdmaasuusatamises, kui norralane Simen Hegstad Krüger murdis suusakepi. Teine Norra suusataja, kellel sama on juhtunud, on Oddvar Brå, kes murdis suusakepi 1982. aasta maailmameistrivõistlustel meeste teatesuusatamises.
Nõtkumine
Kui rõhuda survejõuga pikale õhukesele kepile, nagu seda tehakse murdmaasuusatamises, võib see äkitselt ebastabiilseks muutuda ja nõtkuda. See juhtub, kui kepp kaotab oma tugevuse ning tekivad elastsed deformatsioonid.
Hea võrdlus sellele on, kui võtate plastist joonlaua ja surute selle teljesuunalise jõuga lauale. Joonlaud paindub kõige nõrgema telje juures välja ning kui koormus on piisavalt suur, puruneb lõpuks. Mis tegelikult juhtub, on see, et konstruktsioon (antud juhul joonlaud) variseb kokku ja kaotab oma kandevõime.
Seda nähtust nimetatakse nõtkumiseks ning disainis pole see kuigi teretulnud, eriti suusakeppide puhul, mis peavad aitama sportlastel medaleid koju tuua.
Nõtkumine on veidi hirmutav, kuna see võib tekkida materjali voolavuspiirist tunduvalt madalamate pingete puhul ja seetõttu ei võeta seda arvesse traditsioonilise ohutusteguri arvutamisel (arvestades Von Mises´e maksimaalseid pingeid) staatilises analüüsis.
On oluline märkida, et konstruktsiooni jäikust mõjutab igasugune koormus.
- Tõmbekoormused annavad jäigema mudeli, kuna elastsusjäikus suureneb.
- Survekoormused annavad pehmema mudeli, kuna elastsusjäikus väheneb.
- Murdumine toimub, kui survekoormustest tingitud konstruktsiooni jäikus on 0 (=0).
SOLIDWORKS Simulation Buckling analüüs
Saame seda nähtust uurida SOLIDWORKS Simulation Professional tarkvaras Buckling analüüsi abil.
Lineaarse kõverdumisuuringu jaoks kasutatud teooria SOLIDWORKS Simulation Professionalis põhineb Euleri valemil:
Seejuures:
F = Maksimaalne või kriitiline koormus
E = Elastsusmoodul
I = Inertsimoment
L = Toetamata profiili pikkus
K = Faktor, mis kirjeldab profiili efektiivset pikkust (sõltub tala otsas olevatest tugedest).
Seda tüüpi analüüsideks SOLIDWORKS Simulation Professionalis on kõigepealt vaja mõnda geomeetriat, näiteks seda suusakeppi, ning siis saame alustada uut Buckling analüüsi:
Seejärel määratleme materjali (selles analüüsis on selleks alumiinium).
Kui see on tehtud, lisame reaaltingimuste kõige paremaks simuleerimiseks piiritingimused kinnituste ja koormuste näol.
Pärast uuringu läbiviimist leiame tulemused BLF (Buckling Load Factor) kujul.
See on ohutustegur nõtkumise vastu. Leidmaks maksimaalse koormuse, mida kõnealune suusakepp enne nõtkumist talub, korrutame rakendatud koormuse saadud teguriga.
Nagu siinjuhul suusakepiga: Lisasime teljekoormuse 100 kg, kuna näeme, et madalaim BLF = 0,64364 (BLF 2, 3, 4 jne on lisatud ainult akadeemiliseks otstarbeks, kuna nõtkumine toimub BLF 1-s). Pange tähele, et näeme ka seda, kuidas nõtkumine toimub.
Kui korrutame rakendatud koormuse BLF faktoriga, saame: 100kg x 0,64364 = 64,36kg – See tähendab, et 64.36kg on maksimaalne koormus, mille puhul suusakepp enne murdumist vastu peab.
Nagu varem mainitud, võib nõtkumine tekkida koormuste puhul, mis on tugevalt alla materjali voolavuspiiri ning seetõttu on oluline arvestada seda nähtust pikkade õhukeste struktuuride loomisel.
Selle selgitamiseks lõime sama suusakepi kohta traditsioonilise staatilise uuringu, kopeerides piiritingimused nõtkumisanalüüsist.
Siinseid tulemusi vaadates näeme, et maksimaalsed pinged Von Mises´e järgi on 4Mpa. Kui võrrelda seda alumiiniumi voolavuspiiriga, mis on 27,57 MPa, saame ohutusteguri: 27,57 / 4 = 6,89. Ja seetõttu võib ekslikult arvata, et kepp suudab antud koormust 100kg taluda.
Nii, et loodame, et enne järgmiseid olulisi võistluseid, võtab rahvusmeeskond ka nõtkumist arvesse!
