FEA analysis of folding beach chair

CASE PLOOISTOEL Master IO CAE Semester 1 20/01/2021

Robbe Van der Verren

INHOUDSOPGAVE inhoudsopgave

2

1

Doel

3

1.1

Situatie

3

1.2

Ontwerp

3

2

Methode

4

2.1

Solution type en instellingen

5

2.2

Meshtechnieken

5

2.3

Belasting en randvoorwaarden

6

3

Resultaten

7

4

Conclusie

11

5

Bijlagen

11

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

2/12

1

DOEL

1.1

Situatie

Een strandstoel wordt in de wintermaanden soms gebruikt als opstapje om aan de bovenste lade van een kast te reiken. De strandstoel is niet ontworpen (figuur 1) voor deze soort belasting en kan daardoor gemakkelijk falen wat kan leiden tot verwondingen. In dit document wordt een ontwerp voorgesteld om een klassieke strandstoel te verbeteren waarbij de textiel vervangen wordt met kunststof onderdelen. Er wordt onderzocht hoe de steungeometrie onderaan het kunststof zitvlak kan helpen om de belasting van een rechtstaande persoon op te vangen.

Figuur 1: strandstoel

1.2

Ontwerp

Het ontwerp van het kunststof zitvlak zorgt er voor dat de kunststof onderdelen op de buizen kunnen geklikt worden. Dit gebeurt op 4 plaatsen. Daarnaast heeft het onderdeel overal een universele dikte van 1mm (figuur 2). Deze keuzes zijn gemaakt zodat het onderdeel d.m.v. spuitgieten kan vervaardigd worden en gemakkelijk te monteren is. Het materiaal voor het zitvlak en de rugsteun is polypropyleen (PP). Dit omdat PP een sterke kunststof is die goedkoop is en makkelijk te spuitgieten valt (bijlage 1). De buizen die het frame vormen zijn gemaakt van geëxtrudeerde stalen buizen die gebogen zijn in de juiste vorm. De scharnieren zijn vervaardigd uit RVS en zitten vast in de buizen d.m.v. mechanische inklemming. De open kant van de scharnieren zijn met rivetten door de buizen bevestigd zodat de rivetten dienen als as waar de verschillende delen rond kunnen draaien (aangeduid in oranje). In de bijlage is te zien hoe de stoel kan opplooien (bijlage 4).

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

3/12

Figuur 2: kunststof zitvlak vastgeklikt op het frame

We bestuderen het effect van verschillende geometrieën voor steunribben op de weerstand van een grote ballast. Er worden 3 geometrieën getest waarbij de afstand tussen de ribben steeds 40mm is (tabel 1).

Figuur 3: horizontaal

Figuur 4: vierkant

Figuur 5: circelvormig

Tabel 1: verschillende geometrieën van de steunribben

2

METHODE

Er worden 4 simulaties vergeleken waarbij enkel het zitvlak verschilt. Op die manier kunnen we het best de resultaten vergelijken. Er wordt eerst een simulatie gemaakt van een stoel waarbij het zitvlak geen steunribben heeft en vervangen telkens het zitvlak in de volgende simulatie. Er wordt vergeleken wat de maximale doorbuiging, maximum spanningen en het toegevoegd volume aan steunribben zijn.

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

4/12

2.1

Solution type en instellingen

Deze studie is lineair aangepakt. Hiervoor is er de ‘SOL 101 Linear Statics – Global Constraints’ gebruikt. Alle standaard instellingen zijn behouden en de iterative solver is aangevinkt omdat er gewerkt wordt met solid bodies. Bij het aanmaken van de simulatie is er een geïdealiseerd part aangemaakt om de zones van de belasting en randvoorwaarden correct te kunnen toepassen. Meer info hierover in deel 2.3. Ook zijn de afrondingen van de scharnier onderdelen verwijderd om de simulatie minder zwaar te maken. Deze keuze is gemaakt omdat de focus van de case niet bij de scharnieren ligt.

2.2

Meshtechnieken

Er zijn verschillende meshcollectoren aangemaakt voor de toekenning van een mesh en materiaal aan de onderdelen die we simuleren. De materialen zijn vermeld in deel 1.2. Om de rekentijd van het model beperkt te houden werken we met 2D meshen voor de buizen die we op de midsurfaces van de buizen toepassen. De mesh bestaat uit CQUAD4 elementen van 10mm groot. Deze element grootte is klein genoeg om de afrondingen van de buizen goed te kunnen simuleren. Ook is de Paver methode gebruikt omdat er boringen aanwezig zijn in de buizen. De scharnieren zijn met 3D CTETRA(4) elementen gemesht. Voor deze kleine scharnieren is dit een vrij grote element grootte maar het is in deze case voldoende. Op alle boringen, zowel in de buizen als in de scharnieren, zijn mesh controls aangebracht om een minimum van 10 elementen rondom elke boring te hebben. Om de rivetten te simuleren zijn 1D boutverbindingen gebruikt die door de scharnieren en de buizen gaan, waarbij spider verbindingen zowel de scharnieren als de buizen met de ‘bout’ verbinden (figuur 6). De verschillende zitvlakken meshen we steeds met een 3D CTETRA(4) elementen met een grootte van 10mm. Hierdoor kunnen we de resultaten gedetailleerd bekijken.

Figuur 6: 1D verbinding door scharnier en buis

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

5/12

2.3

Belasting en randvoorwaarden

Er is een kracht met een grootte van 850N op de voetvormige oppervlakte op het zitvlak geplaatst.

Deze belasting is zo gekozen om een rechtstaande persoon van 85kg te simuleren. De poten worden beperkt door een ‘Simply Supported Constraint’ waarbij enkel DOF 3 vastgezet wordt (figuur 6). Om meer realistisch te simuleren is de zwaartekracht van de onderdelen toegepast om het gewicht van de onderdelen niet te verwaarlozen.

Figuur 6: belastings – en beperkingszones De scharnieren zitten voor een deel in de buizen geklemd. Hiervoor zijn deze delen aan de binnenkant van die buizen vastgemaakt met glueing. Het zitvlak is vastgeklikt op het frame waardoor een contact moet gedefinieerd worden tussen het zitvlak en het frame. Uit bronnen blijkt dat de wrijvingscoëfficiënt van PP t.o.v. staal 0,2 is en dit werd zo ingesteld (bijlage 3). Met deze instellingen werden er steeds onrealistische resultaten bekomen die niet bruikbaar bleken. Er is geen manier gevonden om te vermijden dat het zitvlak omhoog springt bij het simuleren van deze belasting (bijlage 5).

Er is verder gegaan met de studie waarbij het zitvlak vastgezet is aan het frame m.b.v. glueing. Dit is niet de meest realistische simulatie maar kan toch inzichten geven voor de onderzoeksvraag.

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

6/12

3

RESULTATEN

Bij alle geometrieën zien we dat het frame zich op eenzelfde manier zal vervormen. Dit kan betekenen dat de geometrie geen grote rol speelt in het verdelen van de kracht over de gehele stoel.

Hierdoor kunnen de volgende resultaten ook beter vergeleken worden (tabel 2). Bij de spanningen wordt er steeds naar de gemiddelde waarden gekeken om piekspanningen uit te sluiten.

Geometrie van Zonder Horizontaal de steunribben Displacement 17,68 12,84 [mm] Von Mises 67,72 27,14 spanning [Mpa] Toegevoegd 0 13,64 volume [cm³) Tabel 2: resultaten verschillende geometrieën

Vierkant

Cirkelvormig

19,08

19,74

34,25

49,59

27,42

23,38

De eerste resultaten geven aan of het zitvlak hulpgeometrie nodig heeft. De resultaten van de doorbuiging geven een doorbuiging weer van ongeveer 18 mm wat acceptabel is (figuur 7). De spanningen echter geven aan dat er in de hoeken zeer hoge drukspanningen voorkomen die boven de compressie vloeigrens van PP (40MPa) gaat (bijlage 2). Hierdoor zal de geometrie falen en zijn verstevigingsribben aan de orde (figuur 8).

Figuur 7: resultaat doorbuiging - zonder steunribben

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

7/12

Figuur 8: resultaat maximum spanningen - zonder steunribben De eerste hulpgeometrie is de horizontale. De kracht wordt beter verdeeld over de ribben waardoor het zitvlak minder zal doorbuigen (figuur 9). Omdat de ribben de belasting beter opvangen zijn er ook lagere spanningen in de ribben (figuur 10). Deze spanningen zitten onder de vloeigrens waardoor deze geometrie niet zal falen bij de belasting.

Figuur 9: resultaat doorbuiging - horizontale steunribben

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

8/12

Figuur 10: resultaat maximum spanningen - horizontale steunribben De volgende hulpgeometrie is de vierkante. Hier zien we een grotere doorbuiging dan het origineel.

Dit kan te verklaren zijn door het extra eigengewicht aangezien er meer materiaal nodig is om de vorm te maken (figuur 11). De spanningen zijn terug mooi verdeeld op de steunribben maar gaan hoger in waarde desondanks dat er meerdere aanwezig zijn. Dit kan te verklaren zijn door de oriëntatie van de ribben. De belasting zorgt er voor dat de steunribben tegen het frame zullen duwen.

Doordat de steunribben een hoek maken met die kracht kunnen ze die minder goed opvangen. De maximum spanning komt gevaarlijk dicht in de buurt van de vloeigrens waardoor verbetering aan de orde is (figuur 12).

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

9/12

Figuur 11: resultaat doorbuiging - vierkante steunribben

Figuur 12: resultaat maximum spanningen - vierkante steunribben De laatste hulpgeometrie is de cirkelvormige. Hier zien we de grootste doorbuiging en spanningen van de gesimuleerde hulpgeometrieën. In deze geometrie zijn er minder steunribben die naar het frame gericht zijn om de krachten op te vangen. Hierdoor zullen de spanningen ook zeer hoog oplopen in die ribben. De waarde voor de maximum spanning overstijgt zelf de vloeigrens waardoor deze geometrie zal falen.

Figuur 13: resultaat doorbuiging - cirkelvormige steunribben

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

10/12

Figuur 14: resultaat maximum spanningen - cirkelvormige steunribben

4

CONCLUSIE

Een PP zitvlak met 1mm wanddikte kan ontwikkeld worden om het gebruik als opstapje toe te laten.

Steunribben zullen nodig zijn om het ontwerp te doen slagen.

De krachten die opgelegd worden op het zitvlak worden voornamelijk verdeeld over het contactoppervlak van het zitvlak met de binnenkant van het frame. Hierdoor zal de vorm van de steunribben op die plaats sterk bepalend zijn voor de stevigheid van het geheel. Het aantal ribben en de oriëntatie van die ribben spelen een belangrijke rol in de doorbuiging en interne spanningen van het zitvlak. Een nieuwe vorm kan getest worden waarbij er meer horizontale ribben worden toegepast.

Dit zou de prestaties nog kunnen verbeteren.

Schijnbaar heeft de geometrie van de steunribben in het midden van het zitvlak weinig of geen effect op het doorbuigen of verdelen van krachten. Wanneer een nieuwe geometrie, zoals hierboven vermeld, getest wordt kan opnieuw geëxperimenteerd worden met steunribben in het midden om deze vraag verder te onderzoeken.

5

BIJLAGEN

(1) https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/polypropylene-pp-plastic (2) http://www.matweb.com/reference/compressivestrength.aspx (3) https://multiplastics.nl/wp-content/uploads/2016/11/Werkopeen-PP-H.pdf

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

11/12

(4) opplooien van de strandstoel

(5) omhoog springen van het zitvlak bij het simuleren van contact i.p.v. glueing

TITEL

DATUM

PAGINA

Case plooistoel – Robbe Van der Verren

20.01.2021

12/12