Seuraa 
Viestejä4
Liittynyt22.7.2014

Haluan laskea lieriönmuotoon taivutetun teräslevyn seinämävahvuuden. Eli lieriön seinämän sisäpintaa kohtisuoraan törmää 10 kg:n metallikappale nopeudella 240 m/s. Kappale sinkoutuu pyörivästä liikkeestä 10 cm:n päästä seinämästä ja ympäristössä vallitsee suuri alipaine. Tästähän saa liike-energian kaavaa käyttämällä että törmayksessä kohdistuu seinämään energiaa 289 kJ. Seinämän kestäessä törmäyksen voidaan ajatella että kyseessä on kimmoton törmäys jolloin liike-energia muuttuu muodonmuutokseksi. Onko tästä eteenpäin syytä lähteä määrittämään seinämään kohdistuvaa jännitystä ja vertaamaan sitä seinämän myötörajaan vai meneekö väärille raiteille? Toisaalta myötörajahan on kai miltei muuttumaton seinämävahvuuden suhteen?

Kommentit (6)

Vanha jäärä
Seuraa 
Viestejä1567
Liittynyt12.4.2005

Tuohon voi sanoa, että olet valinnut melkoisen vaativan tehtävän ratkaistavaksesi. Asiaan vaikuttavat ainakin vielä seinämän geometria sekä törmäävän kappaleen geometria ja materiaali. Nyrkkikaavoilla voi tietenkin parhaassa tapauksessa määrittää suuruusluokan, mutta suosittaisin ongelmaan jotakin elementtimenetelmää, joskin niidenkään käyttö tällaiseen impaktitehtävään ei ole aivan yksinkertaista.

Lisäksi materiaalin käyttäytyminen poikkeaa merkittävästi suurilla muodonmuutosnopeuksilla esimerkiksi normaaleilla vetokokeilla mitatuista.

Vielä pientä tarkennusta terminologiaan: kyseessä on seinämänpaksuus.

Vanha jäärä

goggeli
Seuraa 
Viestejä4
Liittynyt22.7.2014

Kiitos viestistä. Kyseessä siis koeponnituspenkki pyöritettävälle kappaleelle (10 000 rpm) ja haluan suunnitella riittävän vahvan ulkoseinämän mikä kestää törmäyksen aiheuttaman voiman tuotteen hajotessa ettei koneenkäyttäjä saa osaansa. Ulkokuoren eli sen seinämän rakenteeksi olen ajatellut kattilamallia. Tällöin kappale törmää koveraan pintaan. Oletetaan törmäävän kappaleen olevan titaaninen kuula.

Olen käyttänyt FEM:ä lähinnä kantavien teräsrakenteiden suunnitteluun. Millasella analyysityypillä lähtisit törmäystä mallintamaan?

Oliskohan järkevää ottaa törmäysvoimaa vastaan esim. paksulla kumikerroksella, että saisi törmäyksessä metalliseinämän kohdistuvaa jännitystä pienemmäksi. Vai onkohan näin suurissa voimissa tuollaisesta hyötyä?

kfa
Seuraa 
Viestejä2517
Liittynyt13.3.2008

Tarvitset avuksesi projektiin henkilön, joka oikeasti osaa mitoittaa ja rakentaa pyöriessään hajoavalle vauhtipyörälle suojuksen. Muuten käy näin:

Tuo farkkukankaan palanen on siis peräisin henkilöstä, jonka jalka oli moottorista haljenneen ja irti lentäneen vauhtipyörän kappaleen tiellä. Kuvissa näkyy mitä kaikkea kivaa vauhtipyörän palanen rikkoi lentäessään ennenkuin se lävisti rakennuksen peltiseinän. Alla olevassa kuvassa näkyy rakennuksen teräksinen tukipalkki, johon kappale osui.

http://gardentractorpullingtips.com/flywheel.htm

 

Suunnitteluun vaikuttaa myös se, onko suoja tarkoitettu kertakäyttöiseksi vai pitääkö sen kestää useita osumia. Saako suoja törmäyksen yhteydessä hajota? Saako siitä irrota palasia jos palaset eivät pääse uloimman suojan ulkopuolelle? Onko tilaa testipenkkiä ympäröivälle hiekalla täytetylle säiliölle jne.? Kuinka lähellä testipenkkiä pitää turvallisuus taata? Voiko testipenkin sijoittaa omaan betonibunkkeriinsa? Mikä on pyörivän esineen ulkohalkaisija ja suojan sisähalkaisija eli osuvatko kappaleet suojaan kohtisuoraan vai pintaa viistäen?

Kun suuruusluokista puhutaan niin tässä alla on 20 kg metallikappale nopeudella mach 1 eli 330 m/s törmäämässä jäähän. Energiaa löytyy noin nelinkertaisesti sinun tilanteeseesi verrattuna:

http://phyzblog.blogspot.fi/2013/08/20-kg-of-metal-at-mach-1-meets-10-mg-of.html

Antaa hieman suuruusluokkakuvaa siitä, millaisista energioista on kysymys. Kymmenkiloinen kappale tekee tuhoa kuten kanuunankuula ja nopeuskin on kuin kanuunankuulalla tykinputken suulla, vaikka iskuenergia vastaakin vain noin 50 g trotyylipaukkua. Kymmenen kilon titaanikuulalla olisi halkaisija luokkaa 14 cm.

Panssaroinnin suunnittelu on oma tieteenlajinsa, jota sotilaspuolella on tutkittu runsaasti ja josta myös löytyy runsaasti julkaisuja. Tässä hyvin yksinkertainen suuruusluokkavastaus kysymykseen, kun kohteena on suora panssari.

http://physics.stackexchange.com/questions/16817/penetration-of-armor-plate

Jos iskuenergia kohdistuisi 14 cm halkaisijaiselle alueelle niin tuon hyvin karkean suuruusluokka-arvion perusteella mainitulle teräkselle (2000 J/cm^3) 10 kg ammuksen kineettinen energia 288 kJ riittäisi syrjäyttämään luokkaa 144 kuutiosenttimetriä materiaalia eli suuruusluokkaa senttimetrin paksuisen palasen materiaalia. Olet siis rakentamassa useiden senttimetrien paksuista suojusta.

Kanuunankuulaa on ennenkin ajettu vasten panssaria. Alla kuvia USA:n sisällissodan aikaisen panssarilaivan saamista kolhuista:

http://civilwartalk.com/threads/cannonballs-vs-ironclads.71581/

Kun kysymyksessä on ihmisten työturvallisuuteen vaikuttava suunnittelu niin ylimitoitus moninkertaisella turvavaralla on perusteltua. Jos päädyt itse suunnittelemaan tämän alusta loppuun asti niin kannattaa antaa suunnitteluun liittyvät laskelmat myös jonkun toisen mekaniikkasuunnittelijan tarkastettaviksi.

Kim Fallström kfa+news@iki.fi

goggeli
Seuraa 
Viestejä4
Liittynyt22.7.2014

Suoja on tarkoitettu kestämään useita iskuja ja mahdolliset vauriot ovat oltava helposti korjattavissa. Suojasta saa irrota palasia kunhan tiiviys ympäristöön voidaan säilyttää alipaineen mahdollistamiseksi. Turvallisuus pitää taata testipenkin läheisyydessä, ulkosuojan läpi ei saa sinkoutua osia jottei kuvan kaltaisia turmia pääse koskaan syntymään. Valmista betonibunkkeria ei ole olemassa, mutta tilaa jonkinlaiselle bunkkerille on mahdollista järjestää. Pyörivän kappaleen ulkohalkaisija 1 m ja seinämän sisähalkaisija olisi syytä olla mahdollisimmän pieni (testipenkin tilavuuden minimoimiseksi). Tangenttiaalisestihan irtokappale siitä pyörimisliikkeestä sinkoutuu. Asiaa mietittyä niin ovat varmasti sen verran lähellä toisiaan että kappale osuu suojan pintaa viistäen.

Kiitos vinkeistä panssarointikirjallisuuden suhteen.

Vanha jäärä
Seuraa 
Viestejä1567
Liittynyt12.4.2005

 

goggeli

... Pyörivän kappaleen ulkohalkaisija 1 m ja seinämän sisähalkaisija olisi syytä olla mahdollisimmän pieni (testipenkin tilavuuden minimoimiseksi). Tangenttiaalisestihan irtokappale siitä pyörimisliikkeestä sinkoutuu. Asiaa mietittyä niin ovat varmasti sen verran lähellä toisiaan että kappale osuu suojan pintaa viistäen.

Tuli tuossa mieleen, että hyvin pieni rako suojan ja pyörivän kappaleen välillä voi saada aikaan sen, irronneet palaset kiilautuvat kappaleen ja suojan väliin ja silloin voima saattaa kasvaa todella suureksi (kiilavaikutus) sekä painaa palasen suojan läpi. Toisaata tällaisen tapahtuman reaktio saa samalla aikaan suuria voimia kappaleen laakerointiin ja kiinnitykseen.

 

Vanha jäärä

goggeli
Seuraa 
Viestejä4
Liittynyt22.7.2014

Pyörivän kappaleen massakeskipiste ei ole aivan origossa. Pyörivä kappale on tarkoitus kiinnittää taipuisaan akseliin, mikä mahdollistaa pyörimisen massakeskipisteensä ympäri kun kappaletta roikotetaan (moottori on kappaleen yläpuolella). Palasen irrotessa kappaleesta massakeskipiste siirtyy jolloin taipuisan akselin on tarkoitus pettää/toimia sulakkeena tämän ja laakeroidun tehonsiirtoakselin välillä. Uskon kiilautumistapahtumassa taipuisan akselin pettävän ensin tai niin se täytyy laskea. Tehonsiirtoakselin ja taipusan akselin välille olen ajatellut joustavaa akselikytkintä.

Suosituimmat

Uusimmat

Uusimmat

Suosituimmat