Sterkteberekeningen
Sterkteberekeningen: de sleutel tot een realistisch ontwerp
Naast het modelleren van een conceptontwerp in 3D en het uitvoeren van een krachtenanalyse, is het belangrijk om het ontwerp op sterkte te analyseren. Een concept kan in de basis goed zijn maar als één onderdeel niet sterk genoeg is kan het hele ontwerp falen.
Beoordeling van materiaalspanning
Bij sterkteberekeningen ligt de focus op materiaalspanningen, uitgedrukt in N/mm² (Newton per vierkante millimeter). Elk materiaal heeft een specifieke rekgrens. Voor staal S355 is de rekgrens bijvoorbeeld 355 N/mm². Als de optredende spanning in een onderdeel deze grens overschrijdt, treedt plastische vervorming op. Hoewel dat niet direct een probleem hoeft te zijn, wordt in de meeste ontwerpen gekozen om de materiaalspanning ruim onder deze rekgrens te houden.
Een ontwerp optimaliseren op sterkte
Wanneer de optredende materiaalspanningen boven de beschikbare rekgrens uitkomen kan het ontwerp op de volgende manier geoptimaliseerd worden:
- Materiaal doorsnedes vergroten: Dit vergroot de sterkte, maar verhoogt ook het gewicht.
- Een sterker materiaal selecteren: hierdoor kan een onderdeel een hogere belasting weerstaan maar vaak heeft dit ook impact op de mogelijkheden voor productie en de uiteindelijke productiekosten.
- Het concept aanpassen: Door het ontwerp aan te passen kunnen krachten omlaag of zelfs geëlimineerd worden waardoor er wel met standaard materialen gewerkt kan worden.
Geen enkele ontwerp is gelijk en de wijze waarop de sterkte van een ontwerp geoptimaliseerd wordt hangt af van vele factoren waaronder de productiemogelijkheden, beschikbaarheid van materiaal, gewenste productietijd en uiteraard de productiekosten.
Methoden voor sterkteberekeningen
Net als bij krachtenanalyses gebruik ik verschillende methoden om materiaalspanningen te berekenen:
- Handmatige berekeningen: bij eenvoudige situaties, conceptberekeningen en controleberekeningen.
- Excel: hiermee kan ik gemakkelijk standaard berekeningen toepassen in wisselende ontwerp situaties. Het voordeel hiervan is ook dat ik het effect van ontwerpwijzigingen snel op sterkte kan beoordelen.
- Finite Element Analysis (FEA): In toenemende mate maak ik gebruik van FEA software middels Inventor. FEA is ideaal voor complexe geometrieën en geeft inzicht in spanningsverlopen binnen een onderdeel of samenstelling. Door jarenlange ervaring met het uitvoeren van sterkte berekeningen ben ik in staat om het resultaat van een FEA goed te beoordelen zodat ik daarmee ook de juiste conclusies voor het ontwerp kan trekken.
Hoewel het voor de hand lijkt te liggen om elke situatie maar met een FEA uit te rekenen maak ik nog veel controleberekeningen met de hand. Een FEA geeft namelijk altijd een resultaat maar je weet nooit of het resultaat klopt. Het is daarom erg belangrijk om onafhaneklijk van de FEA al een idee te hebben van de mogelijke uitkomst. Als het resultaat van de FEA niet naar verwachting is dan kan dat betekenen dat de berekening niet juist is opgezet. Daarnaast is het belangrijk om de resultaten op de juiste manier te interpreteren. Door jarenlange ervaring ben ik in staat om een FEA op juistheid te beoordelen en op de uitkomsten op de juiste manier te interpreteren in relatie met het ontwerp.
Skeleton modelling en sterkteberekeningen
Voor 3D modelleren maak ik gebruik van skeleton modeling. Hierdoor ben ik in staat om in een vroeg stadium al FEA analyses uit te voeren en het ontwerp op sterkte te beoordelen zonder dat ik al aandacht aan details heb besteedt. Met de resultaten van de FEA kan ik dan bepalen of het zinvol is om onderdelen verder te gaan detailleren of dat het nodig is om aanpassingen op concept niveau te maken.
Sterkte van boutverbindingen en lasberekeningen
Naast de sterkte van losse onderdelen moeten ook boutverbindingen en lasverbindingen op sterkte worden beoordeeld. Voor deze berekeningen gebruik ik zowel handmatige methoden als Excel en FEA. Dit zorgt ervoor dat niet alleen de onderdelen zelf, maar ook de verbindingen betrouwbaar zijn en het ontwerp als geheel voldoende sterk is.
Met een combinatie van sterkteanalyses, slimme softwaretools en ervaring zorg ik ervoor dat uw ontwerp de juiste sterkte heeft waarbij de toepassing van materiaal en productiemethodes geheel bij uw situatie past.
