3D modellering af et net og design af en fleksibel monteringsstang

Studenteropgave: Speciale (inkl. HD afgangsprojekt)

  • Daniel Jacobi Knutzen
  • Jonas Støttrup Marciniak
4. semester, Design af Mekaniske Systemer, Kandidat (Kandidatuddannelse)
Dette speciale omhandler et system bestående af et net monteret på fleksible stænger, som udspænder nettet. På basis af net-stang systemet programmeres en model og der udføres et redesign af stangen.

Modellen af net-stang systemet er programmeret, så den kan løse den geometriske ulinearitet, der kommer ved store flytninger i nettet. Løsningsmetoden er baseret på det totale elastiske potentials minimum, som har vist sig at være en meget robust løsningsmetode. Modellen konfigureres ved at angive nettets størrelse og placering af stænger. Der kan påføres kræfter og randbetingelser på nettet og stænger, hvilket gør det muligt at opstille mange typer af problemer. Stængerne kan diskretiseres i et ønsket antal sektioner, hvilket muliggør, at opførelsen af stængerne kan ændres til specifikke formål. Modellen tillader brug af ulineære stivheder for både net og stænger. Modellen er skrevet i MATLAB og bruger den indbyggede gradientbaserede optimieringsrutine \textit{fmincon} til løse systemet med flytninger som design variabel. Løsningen kan plottes, hvor både startkonfigurationen og den deformerede konfiguration vises.

Til projektet er der udleveret et net og nogle stænger. For at kunne simulere det udleverede net og stænger i modellen, er stivhederne bestemt eksperimentelt. Modellen er efterfølgende blevet valideret ved sammenligning med et fysisk system. Sammenligningen viste, at fordi knuderne i nettet ikke er modelleret i net-stang modellen, er der en afvigelse mellem model og virkelighed.
Disse er ikke blevet medtaget i modellen, da opførsel er meget kompleks.

Redesignet indledes med en morfologisk analyse, for at belyse stangens funktionaliteter og udvælge et koncept for redesignet. Projektet begrænser sig til at forbedre stangens udbøjningsegenskaber, da energien i net-stang systemet ønskes reduceret ved store deformationer. Dette opnåes ved at give stangen en ulineær stivhed. Den ulineær stivhed opnåes ved at ændre tværsnittet fra solidt til hult. Herved vil stangen ovalisere ved bøjning og på et tidspunkt kollapse. Designprincippet har udgangspunkt i Brazier effekten.

Ud fra konceptet defineres et nyt design af stangen, hvor yderdiameteren af midtersektionen forstørres og fastholdes, og tykkelsen bestemmes i et parameterstudie. Parameterstudiet udføres i simuleringsprogrammet ANSYS. Tykkelsen af tværsnittet undersøges ved simuleringer for at opnå den ønskede stivhedskarakteristik. På baggrund af sammenligning af stivhedskarakteristikker fra geometrisk ulineære analyser vælges en tykkelse på 5 mm.\\\\
En prototype er blevet produceret med en tykkelse på 6 mm. Tykkelsen er 6 mm i stedet for 5 mm pga. en fejl ved data behandling, som blev opdaget efter prototypen var produceret. Prototypen er testet og viste tydelig ovalisering af tværsnittet som forventet. Prototypen er brugt til at vise at den brugte designmetode virker, ved at sammenligne med simulationer ved en tykkelse på 6 mm. Simuleringerne er i god overensstemmelse med opførelsen af prototypen med antagelser og fremstillingskvalitet taget i betragtning.

Det lykkedes i projektet af opstille en model af net-stang systemet, som kan modellere det udlverede system tilfredstillende. Modellen kan forbedres ved at medtage knuderne i nettet i modelleringen. Det lykkedes også at nå frem til et redesign, der kan reducere energien i net-stang system ved store deformationer. Test af prototypen viste overenstemmelse med simuleringerne af redesignet, hvilket validerer designmetoden.
SprogEngelsk
Udgivelsesdato1 jun. 2016
Antal sider99
ID: 234535917