Kiintoavaimen lujuusanalyysi

Oheisen kiintoavaimen mallintaminen ja suunnittelu sekä lujuustarkastelu FEM -ohjelmalla oli mielenkiinntoinen kokeilu.

Avaimen mallintaminen tapahtui pääosin piirremallintamalla. Pääprofiilit mallinnettiin sketseinä, mutta varressa olevat pyöristykset ja upotus tehtiin piirteinä, jotta niitä voi myöhemmin muokata helposti.

Koska halusin katsoa, miten avain taipuu, kun sillä väännetään avaimen varresta 500N voimalla, rakensin kappaleen lujuusopillisen simuloinnin Solidworks -ohjelmistolla. Elemettiverkosta tuli oheisen kaltainen (kuvan saa suuremmaksi klikkaamalla!):

Leuat on kiinteästi lukittu, niiden siirtymä- ja rotaatiovapausasteet ovat nollan suuruisia. 500N voima jakautuu koko varren "selkäpuolen" mitalle tasaisesti kuvan osoittamien nuolten suuntaan.

Analyysin jälkeen päästään tarkastelemaan tuloksia. Materiaalina oli teräs.

Siirtymäkuva kertoo miten avaimen varsi taipuu (kuvan mittakaava on liioiteltu, mitat millimetreinä näkyvät asteikolla oikealla):

Suurin siirtymä on 0,5mm.  Varren pituus kyseisellä avaimella on 250mm.

Kyseinen kuormitus aiheuttaa avaimeen seuraavan kaltaiset VonMises -jännitykset:

Havaitaan, että kaikkein rasitetuin kohta kuvassa ylemmän leuan ja varren liitoskohdassa. 

Antiikkikamera

Omistan Krasnojarskin mekaanisessa tehtaassa Neuvostoliitossa valmistetun Kristall -merkkisen kameran, joita valmistettiin vuosina 1961-1962 noin 60 000 kappaletta. Kamera on tällainen:

Halusin kokeeksi mallintaa kameran kuorta ja joitakin piirteitä Solidworks -ohjelmalla. En kuitenkaan aio purkaa hienoa antiikkiesinettä, joten kovin syvälle kameran saloihin en sukella.

Kameran kuoren mittaaminen työntömitalla ja mallintaminen on tätä kirjoittaessani tällaisessa vaiheessa:

Kamera edestä:

Kamera takaa:

Kuvassa kameran takakansi avattuna. Filminsiirtolaitteisto on vielä mallintamatta, samoin verhosuljin. Filmirulla ilman filmiä on asetettu paikalleen, jotta kameran sisäosat saadaan sovitettua kohdalleen. Pentaprisma puuttuu, samoin peilin siirtomekanismi.


Objektiivin sisälle tulevan himmentimen mekanismin hahmottelu ja himmentimen lehtien mallintaminen sekä mekanismin toiminta näytetään seuraavassa videossa. Antiikkikamerani suurin aukko on 3.5 ja polttoväli objektiivissa on 50 mm. Pieni aukko on 16 ja suunnittelemallani himmentimen lehden liikkeellä tuo suurin ja pienin aukon arvo toteutuu. Solidworks -ohjelman mate -toiminnossa on rajoitettu himmentimen lehden liike oikeisiin mittoihin näiltä osin.

Mallintaminen saattaa jatkua... tällä erää se on vielä kesken.

Mekanismeja ja animaatioita

Koska Solidworks -ohjelmiston kokoonpanoja tehtäessä voi kappaleita kytkeä toisiinsa "Mate"--toiminnolla toiminnallisiksi pareiksi, joissa on vapausasteita kuten mekanismeissa, voidaan sitä käyttää toimivien koneiden suunnitteluun.

Harjoitustehtävänä oli mallintaa toimiva moottori.  Kuvassa lopputulos kokonaisena ja kaksi osaa piilotettuna, jotta sisäosa laitteesta näkyy.

Kukin mootorin erillisistä osista on mallinnettu omissa tiedostoissaan, mutta mallintamisessa on käytetty hyväksi yhteisiä profiilikäyriä eri osien välillä, jotta yhteensopivuus olisi saumatonta.

Ohjelmistossa voidaan mekanismille tehdä liikeratojen animointi ja törmäystarkastelu sen varmistamiseksi, että osat eivät törmää toisiinsa kappaleiden liikkuessa ja malli on oikean toimivan moottorin simulaatio.

Alla animaatio videotiedostona:

Tässä vielä toinen video. Videoissa on määrittey milloin kukin osa tulee näkyväksi, jotta voidaan havainnollistaa kokoonpanon osien toiminta toistensa suhteen ja näyttää piiloon koteloiden sisään jääviä rakenteita.

Pintamallintamista ja IGES -muunnoksia

Solisworks -ohjelmistossa on monipuoliset mahdollisuudet pintamallintamiseen. Alla oleva kappale on tuotu Solidworksiin IGES -tiedonsiirrolla, jolloin malliin tuli kymmenien pintojen joukko, joista puuttui osa. Mallintamalla puuttuvat pinnat saadaan aikaan 3D-avaruudessa tila, jonka nuo pinnat sulkevat sisäänsä. Knit -operaatiolla yhdistämällä pinnat yhdeksi ainokaiseksi pinnaksi päästään kärsivälliseti lopulta siihen tilanteeseen, että ohjelmisto pystyy tunnistamaan mallin sellaiseksi, josta saa synnytettyä 3D -tilavuusmallin.

Alla oleva kappale on tuotu myös IGES-tiedonsiirrolla ja nyt ohjelmistolla on pystytty tunnistamaan kappale tilavuusmalliksi. Koska mallissa ei ole kuitenkaan Solidworksin piirteitä, se on vain jokin tilavuusmöykky avaruudessa. Solidworks voidaan opettaa Feature-Works -toiminnolla tunnistamaan kappaleen piirteet Solidworks -piirteiksi ja rakentamaan kappaleesta sellainen malli, jonka piirteitä voi monistaa Solidworks -ohjelman piirremallintamistoiminnoilla.. Tässä malli tiedonsiirron jälkeen:

Ja alla sama kappale, josta on tunnistettu piirteet, joita on siten voitu muokata ja monistaa:

Monimuotoisia kappaleita mallintamaan

Solidworks-ohjelmistossa voidaan luoda tilavuusmalleja myös pyyhkäisykuvauksella ja sen lisäksi tekemällä tilavuuden määritys poikkipintajoukon ja ohjauskäyrien tai keskilinjan avulla. Keskilinja voi olla avaruuskäyrä, kuten seuraavissa esimerkeissä.

Ensimmäisenä mallintamiskohteena oli vapaamuotoinen pullo pyyhkäisykuvauksella tehtynä (sweep).

Pullon suun kierre on tehty myös pyyhkäisykuvauksella, missä on lisämääreenä, että annettua poikkipintaa kierretään joko haluttu kulma tai tiety kierrosmäärä pyyhkäisyakselin ympäri.

Kuvan pullo on luotu pyyhkäisemällä kulmistaan pyöristeyn suorakaiteen profiilia avariidessa pyyhkäisyakselia pitkin. Pullon muotoilua on jatkettu antamalla pyyhkäisylle lisämääre, jossa profiili kiertyy akselin ympäri. Pullon korkin kierteet on tehty toisella pyyhkäisyoperaatiolla ja erillisellä poikkileikkauksella.

Tämä pullo on tehty siten, että pyyhkäisyn aikana poikkileikkauksen kulkua on ohjattu ohjauspäyrillä, joilla säädetään pullon kylkien muotoa.

MUKIN MALLINTAMINEN ANNETUN VALMIIN KUVAN AVULLA

Solidworks -ohjelmistossa voidaan ottaa jokin valmis valokuva malliksi, minkä pohjalta mallinnus aloitetaan. Annettu valokuva, alla oleva mukin kuva on ollut pohjana, jonka avulla on tehty splinisovitus mukin kylkilinjan määräämiseksi. Tämä kylkilinja sekä siitä y-akselille vedetyt kohtisuorat viivat rajaavat alueen, jota pyöräyttämällä saadaan synnytettyä alkuoperäisen muodon mukainen tilavuusmalli mukista. Tämän tilan tekeminen ontoksi voi tapahtua joko shell -piirteellä tai sitten alkuperäistä käyrää hyväksi käyttäen, esimerkiksi offset -käyrällä, joka on muutaman millin etäisyydellä alkuperäisestä kylkikäyrästä ja jälleen pyöräyttämällä tätä y-akselin suhteen. Alla mukin kuva, jota käytettiin mallintamisen lähtökohtana ja kylkiviivan määrittelyssä.

 

Kuvassa mukin ääriviivoja hahmotellaan edellä esitetyn valokuvan perusteella. Mallintaminen tapahtuu sovittamalla splinikäyrä silmämääräisesti kulkemaan valokuvan esittämän kappaleen reunaviivalle. samoin tapahtuu mukin kahvan mallintaminen.

Mukin mallintamisen jälkeen leimasin mukin vielä oheisella naamakuvalla:

Alla olevassa kuvassa mallinnettu muki on keittiöympäristössä "mainos/esittelykuvassa":

 Mukin pohjaan on kaiverrettu tekijän nimi puolen millin syvyisenä kaiverruspiirteenä (exruded cut).

PAKOSARJAN MALLINNUS

Pakosarjan putket on luotu loft-piirteellä, putkien poikkileikkaukset muuttuvat matkalla 80mm -100mm halkaisijaisiksi. Helpointa oli laatia putket avaruuteen laadittujen sketsien välille ja lopuksi luoda laipat. Putket on tehty ontoksi shell -piirteellä, missä putkein päät on määrätty olemaan aukinaisia. Putkien kulkua avaruudessa ohjataan avaruuteen viritetyillä 3D -splineillä.

 Kuvassa näkyy malli leikattuna siten, että putkien voidaan nähdä yhtyvän ilman, että kumpikaan putki menee umpeen.

Alla olevassa kuvassa näkyy putkien ohjaamiseksi laadittuja suoranpätkiä, joita mukailemaan ohjaussplini pakotetaan, jotta se saadaan menmään kohtisuoraan päin laippaa ja jotta putken päälle tuleva kiinnitysruuvin paikka voidaan istuttaa riittävän suoralle putken alueelle.

 AUTON VANNE

Vanteen mallintaminen on tehty pyöräyttämällä avarudessa profiilia, jolloin on syntynyt vanteen rengasta vasten oleva osa. Vanteen pinnat on synnytetty antamalla poikkileikkauksen muuttua toiseksi poikkileikkaukseksi LOFT -piirteellä mallinnettaessa. Kuvassa nelikulmainen poikkileikkaus muuttuu elliptiseksi ja tuloksena on kuvassa näkyvä pinna.

 Pinnojen monistus tehdään circular pattern -piirtellä.

 Renkaaseen tulevat ruuvien reiät mallinnetaan samoin, ensin yksi reikä, jota monistetaan (circular pattern), sitten upotuspiirre (exctruded cut, päästökulmalla 20 astetta)

Lopullinen vanne

Jos vannetta halutaan muunnella, se on helppoa säätämällä alkuperäisiä poikkileikkauksia loft -operaation profiileille. Kuvassa tällä tavoin muunnettu koristeellisempi vanne.

Ohutlevytöitä - sheet metal module

Solidworks-ohjelmistossa on ohutlevytöiden tekemiseeen oma modulinsa. Ohjelmisto osaa ottaa levyjen taivutuksessa huomioon materiaalin lisätarpeen levyjen taitoksien kohdalla sekä laskea levyjen leikkauksissa ja nurkissa tapahtuvat väistöt automaatisesti.

Tässä kuva tietokoneen kotelosta, jonka mallinsin:

 Auki levitettynä kotelo näyttää tältä.

 Kotelon nurkassa miter-flange -piirteenä mallinnettu levytaitos. Huomaa taitoksiin automaattisesti tulevat levyn paksuuden huomioon ottavat väistöt.


Alla levytyönä malinnettu tuhka-astia:

Tässä alemmassa kuvassa on tuhka-astian tilavuuden määräämiseksi lisätty malliin extruded boss -piirteen avulla mallinnettu tilavuusmalli, minkä vuoksi sisätila näyttää olevan ummessa. Tätä mallia käytettiin määrittämään sensori, joka hälyttää suunnittelijan, jos astian tilavuus ei täytä annettua kriteeriä, kun sen kyljen pituusparametreja muutetaan. Tilavuus astialle on noin 5 litraa.

Kokoonpanon laatiminen

Kokoonpano voidaan myös esittää räjäytyskuvana ja räjäytyskuva voidaan animoida. Alla esimerkki tästä: