Solidworks Simulation: Opdracht versie 2014 Uit te voeren in groepen van 2 personen. Indien een groep van 2 personen niet mogelijk is, dient de opdracht alleen uitgevoerd te worden De opdracht Een fietsen onderdelen fabrikant heeft een eenvoudige fietscrank op de markt van staal (Alloy Steel). Om kosten te besparen vragen ze zich af of het huidige ontwerp niet over-gedimensioneerd is. Randvoorwaarden In de bijlage staan de dimensies van deze eenvoudige fietscrank weergegeven. De fietscrank moet het totale gewicht van een persoon op één trapper kunnen dragen. De trapper wordt bevestigd aan de kant van het ronde gat. De trapper steekt nog x mm (zie tabel) uit naast de crank. Neem aan dat de kracht aangrijpt op de helft van deze afstand. Als ontwerpcriteria wordt meegegeven dat een minimale Factor of Safety gewenst is (ten opzichte van de vloeigrens; zie tabel voor waarde) en een maximale verplaatsing van de crank is toegestaan (zie tabel). De crank mag uiteraard niet bezwijken. Materiaalkosten o Alloy steel: 0.5 euro per kg. o 6061-T6: 2.0 euro per kg Varianten (toegewezen door docent aan de groep) Gewicht persoon Uitsteeklengte x Maximale verplaatsing Minimale FOS A 130 kg 100 mm 1.5 mm 1.4 B 150 kg 90 mm 1.4 mm 1.5 C 140 kg 80mm 1.2 mm 1.5 D 150 kg 100 mm 1.5 mm 1.7 E 140 kg 100 mm 1.3 mm 1.5 Stap 1: Modelleer en analyseer de originele fietscrank. Analyseer deze crank met behulp van Solidworks Simulation. Laat de spannings, vervormings en FOS plots zien(zie aanwijzingen) en analyseer deze plots.
Beargumenteer waar materiaal weggehaald kan worden. Stap 2: Modelleer een nieuwe fietscrank Op basis van de analyse uit stap 1 dient een nieuwe geometrie te worden gedefinieerd. De cranklengte van 170mm en de dimensies en vorm van de twee gaten liggen vast. Verder mag/moet alles aangepast worden. Optimaliseer de dimensies van deze geometrie met een Solidworks Design studie. Gebruik minimaal 2 variabelen voor de design studie. Beschrijf de nieuwe geometrie in het verslag. (Een analyse waarbij alleen de afrondingen en de dikte van de originele crank zijn gevarieerd wordt als te eenvoudig gezien en niet geaccepteerd). Laat de spannings, vervormings en FOS plots van de optimale vorm zien en analyseer deze. Stap 3: Analyseer een aluminium crank Omdat veel nieuwe fietsen aluminium onderdelen bevatten om gewicht te besparen wordt er onderzocht of het huidige model ook uit aluminium vervaardigd kan worden. De aluminium crank moet voldoen aan dezelfde eisen als de stalen crank. De gekozen aluminium legering is 6061-T6. Laat zien of een aluminium crank technisch gezien mogelijk is en laat bovendien zien wat dan de dimensies worden. Gebruik de geometrie van stap 2 als basis voor deze analyse. Is dit, kosten technisch gezien, een goed alternatief voor de stalen crank? Beperk je analyse tot de materiaalkosten. In te leveren 1 zip-file per group In de zipfile een word-bestand met daarin o Een beschrijving van hoe het probleem is aangepakt. o Beschrijvingen van de aanpak van de verschillende stappen o Antwoord op de vragen uit de opdracht. o Onderbouwing van de kwaliteit van de resultaten en de berekeningen. Daarnaast dient het Solidworks bestand ingeleverd te worden, maar zonder resultaat files. Aanwijzingen Het gebruik van equations kan helpen om te zorgen dat solidworks tijdens de designstudie het model automatisch aan kan passen zonder dat er foutmeldingen optreden. Bijvoorbeeld de afronding van de originele crank kan gerelateerd worden aan de dikte van de crank. Bestudeer eventueel zelf de helpfiles over equations. Het gebruik van remote loads kan voordelig zijn. Zie de helpfiles en de tutorial. De vragen zijn ook op te lossen zonder het gebruik van deze optie. FOS-plots kunnen net als spannings/vervormings plots worden verkregen. Ook kan de FOS worden meegenomen als parameter in de design studie
Inleiding eindige elementen methode Practicum 3B Joerie te Grotenhuis (s1372319) & Marko van der Burgh (s1387278) Gewicht persoon Uitsteeklengte x Maximale verplaatsing Minimale FOS 130 kg 100 mm 1.5 mm 1.4 Massa van 140 kg is 120 x 9,81 = 1275,3 N De maximale Yield Strength van Alloy Steel bedraagt: De maximale Yield Strength van Alloy Steel met een FOS van 1,4 bedraagt: 620,4 MPa 443,14 MPa Het doel Het doel is om de geometrie van de fietscrank zodanig aan te passen dat het volume geminimaliseerd wordt en dus daarmee de prijs van de fietscrank zo laag mogelijk blijft. De maximale spanning van de Yield Strength van 413,6 MPa mag niet overschreden worden en de maximale vervorming moet minder zijn dan 1,5 mm. Plan van aanpak Uit de opdracht werden de verschillende afmetingen duidelijk, vervolgens is dit model gemodelleerd in Solidworks. Daarna is er een kracht toegevoegd van 1275,3 N. Onder invloed van deze kracht ondervindt de fietscrank een bepaalde vervorming en treden er bepaalde spanningen op in de fietscrank. Er wordt ook een plot gemaakt met de Factor of Safety waarde. Deze verschillende plots zullen vervolgens geanalyseerd worden om vervolgens een uitspraak te kunnen doen over de kritieke punten in de constructie. Deze kritieke punten zullen aangepast worden in het verdere verloop van deze opdracht. Deze aangepaste en optimale geometrie zal vervolgens opnieuw gesimuleerd en geanalyseerd worden. In de vorm van een design study kunnen vervolgens verschillende dimensies gevarieerd worden. Het programma kan vervolgens deze verschillende dimensies variëren om zo tot een optimale dimensie te komen die voldoet aan de voorgestelde voorwaarden. Dit wordt gedaan door middel van een design study. De geometrie zal tussen deze berekeningen door nog handmatig aangepast kunnen worden om vervolgens weer te vergelijken met de vorige designstudy. De constraints die in deze study gesteld worden zullen later in het verslag aan de orde komen. Stap 1: Modelleer en analyseer de originele fietscrank. Analyseer deze crank met behulp van Solidworks Simulation. Laat de spannings, vervormings en FOS plots zien(zie aanwijzingen) en analyseer deze plots.
De standaard fietskrank, van het materiaal alloy steel, is gemodelleerd zoals in figuur 1 hieronder weergegeven. De fietsklem is ingeklemd aan een as bij het vierkante gat. 50 mm vanaf het verlengde van het ronde gat werkt een kracht van 1275,3 Newton. De specifieke afmetingen van de fietscrank zijn in figuur 2 weergegeven. Figuur1 Figuur2
Figuur 3 De spanningsplot is in figuur 3 weergegeven. De Yield Strenght, dit is de maximale spanning die in het onderdeel op kan treden voordat er het onderdeel zal bezwijken door de kracht, is 6.204 * 10 8 N/m 2. In de onderstaande plot is te zien dat in het rode gebied de maximale Spanning 1,269* 10 8 N/m 2 is. Deze maximale spanning (126,9 MPa) is dus nog vrij laag in vergelijking met de Yield Strength (620,4 MPa). De rode gedeelten geven aan waar zich een grote spanningsconcentraties bevinden, Dit is voornamelijk rond het ronde gat, en enigszinds in mindere mate bij het vierkante gat. In het blauwe gedeelte bevinden zich lage krachten. Dit is vooral aan beide uiteinden van de crank. Het complete tussenstuk heeft ook lage spanningen. In figuur 4 hieronder is de factor of safety (FOS) plot weergegeven. Figuur 4 Uit de FOS wordt duidelijk welke onderdelen kritiek zijn en aangepast dienen te worden. De in rood aangegeven onderdelen zijn kritieke punten in de geometrie. Vooral gedeelten rond de beide gaten zijn kritiek, en de aansluitingen van het rechte stuk tot aan beide cirkelvormige onderdelen die de 2 verschillende gaten bevatten. In de buitenste gedeelten zijn vooral blauwe gedeelte te vinden. Uit de doorsnede (figuur 5) blijkt ook dat in het midden ook een blauw gedeelte bevindt. Dit zijn gedeelten van de geometrie die minder kritiek zijn als het gaat om de spanning.
Figuur 5 Figuur6 Uit figuur 4 met de bovenstaande vervormingsplot blijkt dat de maximale verplaatsing is 0,6 mm, dit is op het uiteinde van de crank. De maximale verplaatsing is 1,5 mm. De huidige verplaatsing blijft dus nog ver onder de maximale waarde. b. Beargumenteer waar materiaal weggehaald kan worden. In het midden van de crank is de spanning laag, hier zal dus materiaal weggehaald kunnen worden. Dit kan bijvoorbeeld gedaan worden door een gleuf aan te brengen. De dikte van dit stuk kan ook aangepast worden. Er bevinden zich hoge spanningsconcentraties rond de beide gaten, hier kan het materiaal dus niet weggehaald worden. Verder kan er nog gekeken worden om te variëren in uiterste diameter van beide ronde gedeelten, om zo materiaal te kunnen besparen.
Stap 2: Modelleer een nieuwe fietscrank Op basis van de analyse uit stap 1 dient een nieuwe geometrie te worden gedefinieerd. De cranklengte van 170mm en de dimensies en vorm van de twee gaten liggen vast. Verder mag/moet alles aangepast worden. Optimaliseer de dimensies van deze geometrie met een Solidworks Design studie. Gebruik minimaal 2 variabelen voor de design studie. De nieuwe geometrie bevat een sleuf om materiaal te kunnen besparen. Er is een meer vloeiende overgang gecreëerd tussen de overgang van het rechte deel en beide ronde delen. Ook zijn beide uiterste diameters kleiner gemaakt, om zo ook materiaal te besparen. In figuur 7 zijn de aangepaste dimensies (variabelen) weergegeven. In figuur 8 op de volgende pagina zijn de uiteindelijk afmetingen weergegeven. Figuur7
Figuur 8 Figuur 9
In figuur 10 is een stuk van de design-table weergegeven waarin de verschillende waarden staan van de verschillende variabelen en constraints. De dikte, de curvesterkte, de diepte van de sleuf, de breedte van de sleuf en de diameter van het ronde gedeelte aan de rechterkant zijn variabele waarden. Als constraints zijn de zijn de spanning, de verplaatsing, de minimale veiligheidsfactor en de massa van de crank vastgesteld. Figuur 10 Hieronder in figuur 11 is de verplaatsingsplot weergegeven van het nieuwe model. De maximale verplaatsing is 1,44 mm. Dit voldoet nog net aan de maximale verplaatsing van 1.5 mm. Figuur 11
Figuur 12 In figuur 12 is de spanningsplot weergegeven. De maximale spanning die nu in de geometrie optreedt is 440,3 MPa. Dit ligt nog ver onder de maximale Yield strength met de factor of safety van 1,4. Er is goed te zien dat er minder kritieke punten in de geometrie aanwezig zijn in vergelijking met de originele geometrie van de fietscrank. Hieronder in figuur 13 is de FOS-plot weergegeven. Hierin is te zien waar de kritieke punten en de niet kritieke punten van de geometrie zich bevinden. De minimale FOS is 1.41. Figuur 13 Stap 3: Analyseer een aluminium crank Omdat veel nieuwe fietsen aluminium onderdelen bevatten om gewicht te besparen wordt er onderzocht of het huidige model ook uit aluminium vervaardigd kan worden. De aluminium crank moet voldoen aan dezelfde eisen als de stalen crank. De gekozen aluminium legering is 6061-T6. Laat zien of een aluminium crank technisch gezien mogelijk is en laat bovendien zien wat dan de dimensies worden. Gebruik de geometrie van stap 2 als basis voor deze analyse. Alloy steel: 0.50 per kg. Alloy steel crank 278,73 gram = 0,14 6061-T6: 2.0 euro per kg. Het uitgangsmodel van stap 2 voldoet niet aan de voorwaarden als het materiaal wordt veranderd naar 6061-t6. Daarom is er een nieuwe design study (figuur 14) gedaan met de volgende resultaten.
De design study heeft dezelfde basis geometrie maar er wordt opnieuw geïtereerd met andere waarden voor de parameters. Figuur 14 Figuur 15
Figuur 16 Figuur 17 Is dit, kosten technisch gezien, een goed alternatief voor de stalen crank? Beperk je analyse tot de materiaalkosten. Door aluminium te gebruiken wordt het gewicht gereduceerd tot 224,8 gram. Echter, de kosten per kilogram materiaal zijn vier keer zo hoog. De kosten voor een aluminium crank komen uit op 0,45. De aangepaste geometrie van het materiaal alloy steel kost 0,14. Kosten technisch gezien lijkt dus niet een goed alternatief. Theoretisch gezien zal de prijs iets lager uitvallen dan de hierboven vermelde waarde. Dit komt omdat de aluminium crank in vergelijking met de alloy crank overgespecificeerd is. Het bereik van de gekozen variabelen zijn voor de aluminium crank iets aangepast. Bij alloy steel gaf de dikte tussen 8
en 12 vaak plausibele en lichte resultaten. Daardoor is ervoor gekozen het bereik voor aluminium in z n geheel uit te breiden, om zo tot betere resultaten te komen. Dit is een reden waarom het meest kritieke punt een safety factor van 1,86 heeft.