CitySki - Analysis of the coupling in the divisible cross country skis

Den delbara längdskidan är en innovation ifrån Cityski, för att underlätta utövning i stadsmiljö. Skidan hålls ihop av en koppling i kompositmaterial bestående av kon i hylsa som spänns fast med ett lås. Målet med studien är att utföra analyser av koppling och låsmekanism, först med hjälp av mekaniska modeller för att beräkna laster, deformationer och uppkomna spänningar samt föreslå eventuella förbättringar. Resultaten gav att kopplingen i sitt nuvarande utförande och material inte håller för de laster den väntas utsättas för under användning då spänningarna överstiger materialets brottgräns med en faktor fyra. En materialstudie kunde visa att med aluminium så skulle denna faktor vara betydligt lägre. Analysen gav också att det dominerande spänningsbidraget kom ifrån böjspänningar som svarade för mer än 90 %. En parameterstudie utfördes för att relatera konens geometri till de uppkomna spänningar, studien visade att genom att endast flytta konens placering nedåt i höjdled kunde spänningsbidraget från böjning som mest reduceras med 9 %. I kombination med andra parametrar såsom ett styvare lås, ökad förspänningskraft i låset kan bidraget sänkas med upp till 26 %. En numerisk analys med finit elementmetodik i programmet ANSYS MECHANICAL gjordes. Analysen gav likvärdiga spänningsnivåer om än något högre på grund av spänningskoncentrationer speciellt vid konens infästning som även är en svag punkt där brott tidigare har uppstått vid användning. För att göra denna infästning mer tålig utfördes en topologioptimering vars resultat visade var materialet behöver finnas för att ta upp de pålagda lasterna. Baserat på detta resultat gjordes en ny modell som använder lika mycket material som den befintliga men på ett effektivare sätt. Andra förslag som diskuteras är att införa en skena i styvare material på konens undersida som då skulle tillåta högre belastning innan brott, eventuellt skulle skidan som ändå ska specialtillverkas kunna göras något högre vid kopplingens position för att på sätt öka avståndet från ovansidan till konens placering för att minska bidraget från böjspänning.The divisible cross-country ski, an innovation by Cityski, created to facilitate practicing the sport in an urban setting. The parts are attached by a cone-shaped coupling in a fitted sleeve made of composite material and fastened with a lock. The aim of this thesis is to analyze the coupling and lock with mechanical models to calculate loads, deformations and stresses that may occur when the ski is used as well as giving suggestions for further improvement. The study concludes that the coupling in current state and material cannot be expected to stand anticipated loads during usage as the stresses exceed the tensile strength of the material with a factor of four. A study of materials showed that by using aluminum as an option to composite could reduce the factor considerably. Further, the result also showed that over 90 percent of the overall stresses the cone was subjected to were represented by bending stresses. To account for the stresses the coupling has been subjected to a parameter study in order to relate the geometry of the cone to the stresses. From this it was shown that by simply adjusting the placement of the cone from its centered position downwards the bending stresses could be reduced by approximately 9 percent. This combined with additional adjustments such as a more rigid locking mechanism and tighter lock could contribute to a maximum 26 percent reduction. To further establish the result from the mechanical modelling a numerical analysis with finite element method was conducted using the software ANSYS MECHANICAL. The outcomes confirmed earlier results by showing similar levels of stresses, even to a certain degree higher due to concentration in the area where the cone is mounted. This is a known weak zone from earlier testing of the ski. To enable suggestion for strengthening the area a method for topology optimization was done. Based on this a new model which make use of the material more effectively was designed. Additional suggestions for improvements discussed but not analyzed in depth are the possibility of a plate of a more rigid material on the bottom side of the cone to allow for a higher load before break or make the ski slightly higher at the coupling to lower the effects of bending stresses