Laskennan tarkastamisesta

Lujuuslaskenta on aina syytä tarkistaa ennen tulosten luovuttamista. Joissakin tapauksissa tarkastusmenettely (ml. sisäinen ja riippumaton ulkoinen laskelmien tarkastus) on erikseen määrätty, kuten esimerkiksi ydinvoimaan liittyvissä laskelmissa. Yhä useammassa yrityksessä tarkastusmenettely on nykyään sisällytetty laskennan laatujärjestelmään. Laskelmien tarkastaminen on näissä tapauksissa yleensä laskijoiden omalla vastuulla laskelmien vastaanottajan olettaessa lähtökohtaisesti saamiensa laskelmien olevan luotettavia. Näin on toki vaikkei laskentaa suorittavassa yrityksessä edes olisi laskentaa koskevaa laatujärjestelmää.

Tulosten tarkastaminen on näkymätön kuluerä, joka ei lisää laskentasuorituksen rahassa mitattavaa arvoa asiakkaan silmissä. Tämä lisää paineita tarkastusten minimoimiseksi. Mitä tarkastuksia tulisi siis vähintään suorittaa?

Lähtötiedot

Tuotekehityksessä laskennan lähtötiedoissa on usein epäselvyyksiä laskennan perustuessa osittain keskeneräisiin suunnitelmiin. Materiaaleja ei välttämättä ole määritetty yksikäsitteisesti ja geometriassa saattaa olla esimerkiksi törmäyksiä jotka huomataanvasta  tehtäessä 3d-laskentamalleja 2d-piirustuksien ja luonnosten perusteella. Nämä tulee raportoida suunnittelijalle ja tämän kanssa yhteistyössä päivittää suunnitelma riittävän yksikäsitteiseksi laskentaa varten.

Kuormista on asiakkaalla usein varsin epäselvä kuva. Jos kuormia ei saada jonkin standardin perusteella (esimerkiksi ympäristö- ja materiaalikuormat EN 1991 mukaisesti) joudutaan kuormat arvioimaan. Kuormien on oltava varmalla puolella, mutta realistisia. Arvioiduista kuormista tulee päästä yhteisymmärrykseen asiakkaan kanssa.

Oikeilla reunaehdoilla voi olla, laskentatapauksesta riippuen, joko suuri tai pieni merkitys. Jos tarkastellaan suuren mallin paikallisia huippujännityksiä, ei oikeilla reunaehdoilla ole välttämättä suurta merkitystä. Sen sijaan esimerkiksi aiemmin mainitun esimerkin tapaisen maston ominaismuotojen laskennassa reunaehdot ovat määrääviä tuloksen oikeellisuuden kannalta. Voi olla että alustan joustolle voidaan vain arvioida karkeat ylä- ja alarajat ja vastaavasti laskennan tuloksena ylä- ja alarajat ominaistaajuuksille (ominaismuodotkin voivat muuttua alustan jäykkyyden muuttuessa rajojen välillä). 

Karkea käsinlaskenta

Mikäli mahdollista, tulosten suuruusluokka tulisi ensiksi arvioida jollakin "perinteisellä" menetelmällä. Näillä tarkoitan esimerkiksi jo lujuusopin peruskursseilla opetettuja palkkiteorian ja statiikan laskentamenetelmiä, joita jokaisen suunnittelijankin pitäisi periaatteessa osata käyttää suunnitelmansa perusmitoitusta varten. Ei ole kuitenkaan harvinaista, että laskettavaksi tulee rakenne, joka on selkeästi moninkertaisesti ylikuormitettu palkkiteoriankin mukaan laskemalla. Tällaisissa tapauksissa on turhaa tuhlata resursseja mahdollisesti hyvinkin raskaaseen mallinnukseen ja laskentaan, vaan ottaa jo tässä vaiheessa yhteyttä asiakkaaseen joko rakenteen tai kuormien revisioimiseksi.

Toisinaan käsinlaskennan tuloksena saadaan tarkat arvot helpommin ja luotettavammin kuin FE-analyysillä. Esimerkiksi hyvin taulukkotapauksia vastaavien akseliolakkeiden huippujännitykset tai Herzin kosketuspaineet saadaan taulukkotapauksista taskulaskinta käyttäen parissa minuutissa kun riittävän tarkan verkon ja Herzin kosketustapauksessa epälineaarisen kontaktianalyysin valmistelu ja laskenta vievät helposti ainakin tunnin yksinkertaisessakin tapauksessa.

Käsinlaskennan tulokset ovat muutenkin arvokkaita myöhemmin FE-laskennan tulosten tarkistamisessa.

Vertailulaskenta

Toisinaan, varsinkin käytettäessä tavallisesta poikkeavia mallinnusoletuksia, voi yksinkertaisesta vertailulaskennasta saada tärkeää tietoa mallin luotettavuudesta. Esimerkiksi käytettäessä suuressa mallissa jonkin liitososan huomioimiseksi jousia laskentamallin koon pitämiseksi järkevänä, on hyvä tehdä tarkempi tarkastelu, jossa rakennetta edustava osa mallinnetaan tarkasti. Tuloksia tästä verrataan karkeilla mallinnusoletuksilla tehtävään vastaavaan malliin ja tarvittaessa karkean mallin tarkennetaan kunnes tulokset vastaavat toisiaan.

Mallinnusgeometria

Yhä useammin laskentageometrian pohja toimitetaan valmiiksi 3d-geometriana suoraan asiakkaalta. Tässä vaiheessa kannattaa tarkistaa esikäsittelyohjelmaan luetun geometrian dimensiot epäyhtenäisten yksiköiden varalta. Geometriat toimitetaan usein millimetreihin skaalattuna, joskus tuumamittaisinakin. Laskentaa varten poissiivotut rakenneosat on syytä tarkastaa kyseistä laskentaa tarpeellisten detaljien poistamisen varalta. Toimitetun geometriamallin järkevän verkotuksen estävät epätarkkuudet on poistettava muuttamatta geometriaa tulosten suhteen oleellisella tavalla.

Laskentaverkko

Laskentaverkon elementtityypit ja niiden polynomiasteet on oltava käytettävään laskentaan soveltuvia. Elementtien muodon on oltava sallituissa rajoissa; Kaikkien elementtien on oltava riittävän laadukkaita koko laskentamallin tuloksen konvergoimiseksi.  Lisäksi kontaktien ja kiinnostavien kohtien alueella elementtien on oltava vielä laadukkaampia tarkkojen tulosten saavuttamiseksi. Esimerkiksi nelisolmuiset elementit ovat sitä parempia, mitä lähempänä niiden muoto on neliötä.

Elementtiverkon tiheyden on oltava riittävä. Jos adaptiivistä verkontihennystä ei voi käyttää, karkean tarkistuksen riittävästä tiheydestä voi tehdä tarkistamalla tasoittamattomien elementtijännitysten jatkuvuus elementtirajojen yli (yleensä oletusarvoisesti jännitykset esitetään jälkikäsittelijöissä tasoitettuina, ja tasoittamattomien elementtijännitysten näyttäminen riippuu laskentaohjelmasta.)

Vasemmalla tasoittamattomat elementtijännitykset liian harvalla verkolla ovat selvästi epäjatkuvia, oikealla jatkuvuus hyvä.

Laskentaverkon on oltava jatkuva. Tämän tarkistamiseksi voidaan käyttää erilaisia visualisointimenetelmiä tai päätellä tuloksista; Epäjatkuvuudet voi havaita "repeäminä" muodonmuutostasoissa tai jännitystasoissa sekä liioitelluissa muodonmuutoskuvissa ja -animaatioissa. Ominaistaajuusanalyysillä voi helposti todeta muusta rakenteesta kokonaan tai osittain irti olevat rakenneosat.

Ensimmäinen ominaismuoto ominaismuotoanalyysistä, jossa vasen kulmarauta on kiinnitetty ja oikeanpuoleinen kulmarauta on irrallaan. Irrallaan olevan vapaan kappaleen muodoilla ominaistaajuus on 0 Hz.

Tulokset

Staattisessa laskennassa kokonaistukireaktioiden on vastattava kuormia. Yleisten jännitysten on vastattava karkeasti käsinlaskennan tuloksia (silloin kun niitä on käytettävissä). Vapaan kappaleen liikkeiden määrän (ominaistaajuuksia joiden taajuus on 0Hz) on vastattava reunaehtojen ja laskentamallin dimensioiden edellyttämää määrää.