Yksinkertaista(n)ko?

Yksi haasteista, jonka kanssa tekninen laskija painii, on se millä tasolla analysoitava rakenne pitäisi mallintaa. Laskentaohjelmien ja laskentakapasiteetin huima kehitys mahdollistaa yhä suurempien ja monimutkaisempien rakenteiden ja ilmiöiden analysoinnin. Enää ei tarvitse syöttää yksittäisiä solmuja ja elementtien tietoja rivi riviltä, vaan esimerkiksi geometriamalli saadaan CAD ohjelmasta suoraan esikäsittelijän kautta verkottajaan. Verkottajien kehittyminen on mahdollistanut sen, että jokaista pyöristystä tai turhaa reikää ei tarvitse erikseen käydä poistamassa. Miksi sitten ei oteta laskentaan mukaan koko rakennetta kaikkine yksityiskohtineen, jos kerran siihen on mahdollisuus?

Monimutkaisen mallin laskenta vaatii paljon aikaa, kun taas yksinkertaisella mallilla voidaan saada riittäviä tuloksia nopeasti. Laskenta-ajan saa helposti moninkertaistettua ottamalla mukaan epälineaarisuuksia kuten kitkallisia kontakteja. Yksinkertaisemman laskentamallin päivittäminen, sitä mukaa kun design etenee, on helpompaa ja nopeampaa. Virheiden ja epäloogisuuksien havaitseminenkin on helpompaa, kun malli on sopivan yksinkertainen. Perusperiaatteena pitäisi olla se, että aloitetaan mahdollisimman yksinkertaisella mallilla ja tarkennetaan yksityiskohtia laskennan edetessä.

Mallin idealisointi fyysisestä rakenteesta matemaattiseksi malliksi on asia, jota kone ei voi tehdä, vaan vaatii ihmisen tekemiä päätöksiä ja oletuksia. Tämä on analyysin tärkein vaihe ja vaatii näkemystä rakenteen käyttäytymisestä, kuormituksista ja reunaehdoista. Tässä vaiheessa apuna on myös rakenteen pilkkominen pienempiin helpommin hahmotettaviin osiin. Myös analyysiohjelman mahdollisuudet ja rajoitteet tulee tuntea hyvin.

Tämä on myös vaihe, jossa suurimmat virheet tehdään ja yleisimmin ne aiheutuvat vääristä reunaehdoista. Erilaisten herkkyysanalyysien tekeminen muuttamalla verkotusta, kuormituksia tai reunaehtoja voi auttaa havaitsemaan kuinka herkkä malli on pienille muutoksille. Jos huomataan, että pienetkin muutokset aiheuttavat huomattavia muutoksia tuloksiin, on oltava vieläkin tarkempana lähtötietojen ja oletusten suhteen. Staattisissa tapauksissa voi joskus olla hyödyllistä tehdä myös ominaistaajuus analyysi, jolla nähdään toimivatko rakenteen väliset liitokset ja reunaehdot oikein.

Mikä sitten on olennaista laskennan kannalta? Tätä miettiessä on oltava kirkkaana mielessä laskennan tavoitteet. Haetaanko tarkkaa tietoa tärinätestin aikaisista siirtymistä vai pyritäänkö vain vertailemaan eri design vaihtoehtoja suunnittelun alkuvaiheessa. Ollaanko kiinnostuneita esimerkiksi laiteräkin osana olevan yksikön kuormituksista vai haetaanko vain laiteräkin ulkonurkkien siirtymiä. Voisiko jonkin osan jättää pois mallista tai korvata yksinkertaisella pistemassalla? Onko symmetria hyödynnetty? Miten mallintaa liitos, tarvitaanko kitkallinen kontakti vai riittääkö liimattu liitos. Vaihtoehtoja on monia ja paras on valittava tilanteen mukaan.

Kun saavutaan siihen vaiheeseen, että päästään analysoimaan tuloksia tulee eteen seuraava kysymys: Onko yksinkertaistettu liikaa? Tulosten oikeellisuuden varmentaminen vaatii usein jonkinasteista iterointia, jolla päästään haluttuun lopputulokseen. Detaljeja ja mallin monimutkaisuutta voi lisätä vaiheittain ja seurata niiden vaikutusta lopputuloksiin. Kun tämä iterointi on saatu suoritettua, on lopputuloksena malli, joka riittävällä tavalla kuvaa rakenteen käyttäytymisen tutkittavan ilmiön vaikutuksen alaisena ja antaa eväät edetä designin osalta eteenpäin.

Kirjoitettu yhdessä Tapani Siermalan kanssa.