Lätta konstruktioner för högre nyttolast

Transkript

1 Effektiva tågsystem för godstransporter Underlagsrapport Lätta konstruktioner för högre nyttolast Rapport 0506D Per Wennhage Järnvägsgruppen KTH Avd för Lättkonstruktioner

2 Lätta konstruktioner 2 1 Inledning Det finns många fördelar med lätta konstruktioner i järnvägsfordon. Ett lättare fordon har mindre miljöpåverkan, förorsakar mindre slitage och kan utnyttjas för att bära en större nyttolast. Genom att använda avancerade material på ett lämpligt sätt kan också underhålls- och reparationskostnaderna reduceras. Vid konstruktion av lättare fordon måste också hänsyn tas till aspekter som till exempel skadetålighet. Den lätta konstruktionen får inte vara alltför känslig för de belastningar som kan uppstå under drift. Ett koncept som inte har använts så mycket i godsvagnar är fiberkompositmaterial. Fiberkompositer har vunnit mark tack vare sin relativa styrka och styvhet, dvs dessa egenskaper sätts i relation till konstruktionsmaterialets vikt. Denna rapport är en sammanställning av olika synpunkter och reflektioner som uppkommit i arbetet med effektiv godstrafik och viss analys av möjligheter och svårigheter i samband med användandet av lättkonstruktioner i järnvägsfordon. Första avsnittet är en mycket kort beskrivning av kompositmaterial och dess beståndsdelar. Detta har tagits med därför att kopmositmaterialens potential understryks i rapporten. Man ska naturligtvis inte glömma bort att det även går att bygga lätta konstruktioner genom att påverka den konstruktiva utformningen utan att använda sig av avancerade material. Sandwichkonstruktioner är ett exempel på detta och det diskuteras i samband med tankskal för järnvärgsvagnar senare i rapporten. 1.1 Kompositmaterial Ett försök till definition av en komposit som lastbärande material kan låta som följer: Ett kompositmaterial är en kombination av två eller flera distinkta material som samverkar under belastning så att dess egenskaper överträffar dem hos de enskilda materialen. När man talar om kompositmaterial som konstruktionsmaterial avses oftast fiberkompositer. En fiberkomposit består av armering i form av fibrer och en matris som håller samman fibrerna och ger materialet dess form. Vid tillverkning av kompositkomponenter tillverkas ofta själva materialet samtidigt som detaljen, vilket skiljer sig från tillverkning i metalliska material (gjutning undantaget). Matris Fiber Figur 1 Principutseende för en fiberkomposit med armeringsfibrer inbakade i en polymermatris. Fibrerna kan naturligtvis ligga i olika riktningar i materialet. Nedan beskrivs de oftast använda fiber- och matristyperna kortfattat.

3 Lätta konstruktioner Fibertyper Fibrer förekommer i många typer, vanligast är glasfiber som är relativt billigt och därför har vunnit en stor användning inom många områden. Småbåtsindustrin var en av de första brancher som använde sig av glasfiberarmerad plast och i dag kan man hitta glasfiber i till exempel fronterna till många snabbtåg, till exempel det svenska X2 och snabbtåget som går till och från flygplatsen Gardemoen utanför Oslo. Kolfiber är en annan typ av fiber som har mekaniska egenskaper överlägsna dem hos glasfiber. På grund av dess höga pris har användes kolfiber till en början mest inom områden där låg vikt och hög styvhet var högt prioriterade, såsom satelliter men även i golfklubbor, tennisracketar och andra sportartiklar. Under flera år har efterfrågan på kolfiber överstigit produktionen och den tillgängliga produktionskapaciteten har ökats drastiskt. I dag kan man se kolfiber användas även till stora strukturer såsom svenska flottans korvett Visby eller som förstärkningsmaterial till byggnader och broar. I många fall har det visat sig ekonomiskt försvarbart att använda kolfiber i stället för glasfiber, speciellt när det rör sig om styvhetsdimensionerade konstruktioner med lång livslängd. En tredje typ av fibrer som används i mindre utsträckning i lastbärande konstruktioner är aramidfiber. Denna fibers mest utmärkande egenskap är dess seghet, vilket gjort att den ofta används där slagtålighet är ett krav. Aramidfiber kan ibland ses i kombination med andra fibertyper just för att öka slagtåligheten hos en detalj. Fibrer levereras i många former, till exempel lösa fiberknippen, vävar med olika andel fiber i olika riktningar eller sydda armeringsmattor där fiberknippen sytts ihop till mattor med fibrer i olika riktningar. Allt detta för att man ska kunna få den kombination av fibrer man önskar. Olika kombinationer av matris och fiber i så kallad prepreg finns också att tillgå. Materialet är formbart och härdas genom uppvärmning varvid materialet får sin slutgiltiga form. 1.3 Matristyper Traditionellt är den valigaste matrisen polyesterplast. Denna är billig och har sett stor användning inom båtindustrin under många år. Epoxy är en av de mest avancerade matriser man använder i dag. Dess mekansika egenskaper är mycket goda, men priset är högt och epoxy är starkt allergiframkallande, varför stora krav ställs på arbetsmiljön vid hantering av epoxy. En tredje typ som fått stor användning på senare tid är vinylester, vilket kemiskt sett något förenklat kan sägas vara en kombination av polyester och epoxy. Vinylester har bättre mekaniska egenskaper än polyester, men är inte lika aggresivt som epoxy vad gäller allergier och miljö. För att klara utmattningslaster bättre har så kallad gummimodifierad vinylester utvecklats. Denna har bevarat sina goda mekansiska egenskaper men är inte lika spröd som många andra matrismaterial vilket är gynnsamt ur utmattningssynpunkt. 1.4 Några av kompositers fördelar Den egenskap som ofta framförs som kompositers största förtjänst är deras höga styvhet och styrka i förhållande till dess vikt, (eller egentligen dess densitiet). En annan positiv egenskap hos kompositer är att materialet har olika egenskaper i olika riktningar. Ett kompositmaterial kan göras ortotropt eller till och med anisotropt, till skillnad från metalliska konstruktionsmaterial vilka har väsentligen samma egenskaper i alla riktningar. Detta faktum kan verka förvirrande till en början, men det öppnar

4 Lätta konstruktioner 4 möjligheter att skräddarsy komponenter för sina tillämpningar. Detta görs rent praktiskt genom att man orienterar fibrerna i kompositen i lämpliga riktningar. Detta kan göras på oändligt många sätt och genom att göra det på ett smart sätt kan man få önskade materialegenskaper. 1.5 Några av kompositers myter och nackdelar Tyvärr anförs ofta kompositers höga pris som en nackdel. Vad man bör betänka är att man inte bara kan ersätta ett metalliskt material med en komposit utan att tänka efter. Man bör sätta in materialet i sitt sammanhang. Ur ett livscykelperspektiv kan kompositer visa sig vara en riktig vinstlott även om det vid första anblicken förefaller vara ett dyrt och krångligt alternativ. Eftersom kompositmaterial är en relativt ny företeelse kan många industrier inte ge sig in på produktion av kompositkomponenter utan stora investeringar. Detta är säkert en faktor som hindrar många företag att ge sig in på kompositområdet, speciellt tillverkare av varor där köparna stirrar sig blinda på inköpspriset, och inte beaktar de långtgående effekterna. Att konstruera med kompositmaterial kräver ett annorlunda tankesätt och i viss mån nya analysverktyg för att kunna få ut det mesta av materialets möjligheter. På flera områden pågår forskning rörande kompositers egenskaper, främst gällande utmattning och skadetålighet. Metoder finns dock för analys av detta redan i dag. 1.6 Tillverkningsmetoder Det finns oräkneliga tillverkningsmetoder för kompositmaterial, vissa skräddarsydda för speciella tillämpningar, andra mer allmänt användbara. Gemensamt för de flesta är att detaljen får sin form i samma steg som matrisen impregnerar fiberarmeringen och själva kompositen skapas. Detta kräver i regel någon slags form, vilket kan vara en stor investering eftersom man räknar med att formen måste användas många gånger. Det finns metoder som utnyttjar enkelsidiga formar, vilket reducerar kostnaderna på bekostnad av ytfinishen på ena sidan av detaljen. Det finns också metoder som kräver dubbelsidiga formar, vilka vanligtvis ger en högre finish och noggrannhet, men som naturligtvis är mer kostsamma. Så gott som alla moderna tillverkningsmetoder är slutna processer. Borta är handuppläggning eller så kallad spray-up där matrismaterialet är exponerat och bidrar till en ohälsosam arbetsmiljö. De slutna metoderna ger oftast en komposit med högre kvalitet eftersom andelen matris kan reduceras. Man ska inte bortse från möjligheten att köpa färdiga kompositelement i form av till exempel profiler eller plattor och sammanfoga dessa till en konstruktion. Detta förfaringssätt kan dock vara lite lömskt eftersom man tenderar att inte ta till vara kompositernas egenskaper på ett tillräckligt bra sätt. För vissa tillämpningar kan det dock vara ett relativt enkelt sätt att använda kompositernas positiva egenskaper utan att det krävs enorma investeringar. En proffesionell strukturmekanisk analys kan påvisa när så är fallet.

5 Lätta konstruktioner 5 2 Lätta godsvagnar Godsvagnar är strukturer som typiskt ska ha lågt inköpspris. Vagnen i sig är bara en bärare, dess last representerar värdet. Här finns en klar skillnad mot passagerarfordon, där saker som utseende spelar en större roll och lasten (dvs. passagerarna) kan ha synpunkter på fordonet. Detta rör ofta frågor som komfort, där kraven uppenbarligen skiljer sig mycket mellan människor och gods. För att kunna motivera lättkonstruktioner i godsvagnar måste man titta på hur vagnvikten påverkar lönsamheten i någon mening. För gods med högt värde skulle det potentiellt finnas en möjlighet att ta mer nyttolast på en godsvagn genom att göra strukturen lättare. För lågvärdigt gods är det mer tveksamt ifall investeringar i vagnsstrukturen skulle kunna visa sig lönsamma. Om axellasten är begränsande är det tydligt att man skulle kunna öka nyttolasten genom att minska tomvikten. Tyvärr är axellasten sällan begränsande. Vid transporter av högvärdigt gods, till exempel expressgods, är snarare volymen begränsande. Vid tansporter av lågvärdigt gods, till exempel malm, är axellasten däremot begränsande, men då är ändå vinsten med ökad lastförmåga begränsad av det lägre lastvärdet, se figur 2. Högförädlat gods representeras här av extrem expressgodstrafik som till exempel posttåg. Här används ofta passagerarvagnsteknik eller helt enkelt ombyggda passagerarvagnar. För extremt tunga transporter som till exempel malmtågen används specialvagnar med hög axellast. En potentiell besparing skulle kunna tänkas vara att man kan ta samma mängd nyttolast med ett kortare tåg om man använder lättare vagnar. Detta förhållande ger vid handen att investeringar i lätta godsvagnar knappast kommer att bli aktuellt för allmäna vagnar producerade i stora serier. Däremot kan det finnas en potential att tidigt införa kompositer i specialvagnar av olika slag och för detaljer såsom skjutbara dörrar, väggar eller tak. Under alla förhållanden krävs en analys av livscykelkostnader, eftersom införandet av lätta konstruktionskoncept kräver vissa investeringar och kan medföra ett högre inköpspris för vagnmateriel.

6 Lätta konstruktioner 6 godsets massa godsets värde högförädlat gods massgods Exempel: Snabbgodståg (post) Malmtransporter Figur 2 Schematiskt förhållande mellan godsets massa och dess värde för olika godskategorier. 2.1 Konstruktion Konstruktion av järnvägsfordon är naturligtvis omgärdat med ett omfattande regelsystem. I Räddningsverkets föreskrifter för transport av farligt gods på järnväg [1] finns till exempel riktlinjer för hur tankar ska konstrueras. Bland annat sägs det att: Tankskal skall ha en konstruktion som kan spänningsanalyseras matematiskt eller experimentellt med töjningsgivare eller med andra metoder som godkänts av behörig myndighet. Tankskal skall provtryckas till en belastning som mostvarar 150% av beräkningstrycket. Sänningarna i materialet under provtryckningen jämsförs med hållfasthetsdata och ska ligga inom vissa gränser. Bestämmelser rörande minsta godstjocklek finns även, liksom specialbestämmelser som gäller för vissa typer av tankar eller tankar avsedda för transport av vissa ämnen. I föreskrifterna finns också bestämmelser för konstruktion av tankcontainrar av fiberarmerad plast, vilket visar att kompositer inte är någon total nyhet för branchen. Järnvägsinspektionen anger i sina grundläggande krav på säkerhet bland annat att: ett nytt fordon ska vara säkrare än de fordon som finns idag i motsvarande trafik. Där anges också vilka krav som ställs på att verifiera detta. För ett nytt fordon krävs olika grader av analyser beroende på hur säkerhetskritiska olika delsystem är. En preliminär felkälleanalys krävs och i vissa fall mer djupgående analyser. För mekaniska system krävs dessutom en hållfasthetsanalys. Med dagens förfinade analysverktyg är det inga problem för en kunnig konstruktör att utföra grundliga hållfasthetsberäkningar på både fiberkompositmaterial och sandwichkonstruktioner. 2.2 ISO-tankcontainers Så kallade ISO-tankconatiners används för transport av flytande gods och kan lastas på containervagnar för transoprt på järnväg. En standardcontainer med 20 fots längd kan

7 Lätta konstruktioner 7 rymma upp till cirka 25 m 3 vätska eller flytande gas beroende på utförande. Dessa containrars konstruktion baserar sig till stor del på erfarenhet och med förhållandevis lite analys, liksom mycket annan materiel som används för godstransport. Ett arbete har dock påbörjats för att analysera ISO-tankcontainrar. En parametriserad modell har byggts upp för beräkning av till exempel spänningar och egenfrekvenser och ett provprogram för experimentell verifiering har lagts upp [2]. Detta arbete skulle i förlängningen kunna bidra till en efektivare och säkrare utformning av tankcontainrar för transport av farligt gods. Klart är att en optimering av strukturen och de ingående systemen skulle kunna förbättra säkerheten och potentiellt även ekonomin. Cisterner för järnvägsfordon ska ha cirkulärt tvärsnitt. Den stora fördelen med cirkulära cisterner är att skalet, årminstone toretiskt, endast behöver ta upp membranspänningar om skalet utsätts för inre övertryck. Detta är inte helt sant beroende på till exempel ändeffekter eller diskontinuiteter i form av ventiler och dylikt men icke desto mindre en bra approximation och ett starkt argument för cirkulära tvärsnitt. Varje annan form på tvärsnitt skulle införa böjlast i skalet. Detta skulle då behöva dimensioneras mot böjning, vilket ställer andra krav på skalets uppbyggnad. Jämför större flygplan med trycksatta kabiner, som så gott som alltid har cirkulära tvärsnitt. Genom att använda ett sandwichskal till att bygga en annan form på tvärsnittet skulle det tillgängliga utrymmet kunna utnyttjas i högre grad i till exempel en ISO-tankcontainer, se [3]. Ett enkelskals styvhet och styrka bestäms av dess tjocklek, för ett visst material. Böjstyvheten är proportionell mot tjocklecken i kub. och hållfastheten är proportionell mot tjockleken i kvadrat. För en sandwichkonstruktion är böjstyvheten och hållfastheten beroende av täckskicktens tjocklek och av kärnans tjocklek, se Tabell 1. Tabell 1 Sandwicheffekten för böjbelastade sandwichkonstruktioner. Vikt Böjstyvhet Hållfasthet Homogent material Homogent med dubbla tjockleken Sandwichkonstruktion Tjockare sandwichkonstruktion Kärnmaterialet i sandwichkonstruktionen, som behövs för styvhetens och styrkans skull, kan här även utnyttjas som till exempel värmeisolering. Dessutom blir konstruktionen i princip en dubbelskalskonstruktion som kan bidra till ökad säkerhet.

8 Lätta konstruktioner Kompositers krashtålighet. Ett materials förmåga att ta upp energi under deformation kallas ofta dess krashtålighet. I personbilar har man sedan många år arbetat med energiupptagande deformationszoner som ska ta upp rörelseenergi vid en sammanstötning och skydda förare och passagerare. Dessa defomationszoner är utförda i pressad plåt och utformade på ett sådant sätt att de ingående detaljerna deformeras under maximal energiupptagning. En konstruktion utförd i kompositmaterial har väsentligt fler möjliga brottmoder än en metallkonstruktion. Detta kan medföra att beteendet blir mer svårförutsägbart, men öppnar samtidigt för möjligheter att utnyttja dessa brottmekanismer till att öka energiupptagningsförmågan. Mycket forskning har gjorts och pågår på området. På järnvägsfronten har det mesta av denna forskning relaterat sig till utformandet av krocksäkra passagerarfordon. Se till exempel översikten som ges i [4]. Dessa ideer skulle kunna användas även vid konstruktion av godsvagnar. Dock anses passagerare vara betydligt mer värdefulla än gods, varför investeringsviljan kan förväntas vara större för passagerarfordon. Vad gäller till exempel farligt gods skulle riskerna vid en olycka kunna motivera utformandet av krocksäkrare fordon. Se även [5].

9 Lätta konstruktioner 9 3 Exempel Här följer några referat och exempel av olika sort som är intressanta för konstruktion av godsvagnar och detaljer där lätta konstruktionskoncept skulle kunna tillämpas. 3.1 Lättkonstruktioner utnyttjas för ökat utrymme Talgo har utvecklat en så kallad multipurpose -vagn för till exempel kollin i form av lastpallar eller biltransport. Denna har ett höj- och sänkbart golv som gör att man kan lasta i två våningar. För att minska tjockleken på själva golvet har man valt att undersöka möljigheten att utföra golvet som en typ av sandwichkonstruktion. Här har den ökade styvheten använts till att minska bygghöjden för att på så sätt få plats med mer last inom det tillgängliga utrymmet. 3.2 Fiberkompositer för minskad miljöpåverkan och livscykelkostnad Vid ett examensarbete (Institutionen för flygteknik, KTH) gjordes en jämförelse mellan tre olika konstruktionskoncept för höghastighetsfärjor [5]. De studerade koncepten var: en konventionell färja byggd av stål, samma konstruktion utförd i aluminium och en kolfibersandwichlösning. De två första alternativen hade beräknats av Kockums Karlskronavarvet och kolfiberalternativet beräknades under arbetets gång med ledning av varvet. En hel del intressanta slutsatser kan dras ur resultaten, bland annat: Stålalternativet var billigast att producera, kompositalternativet dyrast. Härvid togs hänsyn till konstruktion, materialkostnad och tillverkningskostnad. Den största delen av livscykelkostnaden härrör från fartygets drift och underhåll. Stålalternativet krävde ett större maskineri än de andra, varför kostnaderna för denna fas ökade drasktiskt. Främst tack vare sina relativt små skrovunderhållskostnader blev kompositalternativet avsevärt billigare i denna fas. Kostnaderna och intäkterna i samband med skrotning och återvinning av ett fartyg är små i jämförelse med övriga kostnader. I detta långsiktiga perspektiv kunde man konstatera att kompositfartyget blev mer ekonomiskt än stålfartyget redan efter fyra år och mer ekonomiskt än aluminiumfartyget

10 Lätta konstruktioner 10 efter tolv år. Utav denna tid tog konstruktion och produktion två år. Livslängden på strukturen antogs vara 25 år. För samtliga versioner var bidraget från bränsleförbrukningen till den totala energiåtgången under hela livscykeln så mycket som 99,5% eller mer! 3.3 Beräkningsexempel för fiberkompositer Ett litet, enkelt räkneexempel. Antag att vi vill konstruera en 2 meter lång, fritt upplagd balk som har en lägsta egenfrekvens på 10 Hz. För ett rektangulärt balktvärsnitt är detta oberoende av bredden, så vi gör beräkningen för enhetsbredd. h tvärsnitt: b Om balken är utförd i stål krävs en höjd på 17mm. Denna balk väger då 265 kg per meter bredd. Om balken i stället är utförd i glasfiberarmerad plast med enkelriktade fibrer krävs en höjd på 19mm men balken väger bara 67 kg/m. Om man använder kolfiber blir höjden 10mm och vikten 30 kg/m, se tabell för en jämförelse mellan de olika materialen. Material E-modul [GPa] Densitet [kg/m 2 ] Erforderlig höjd [mm] Massa [kg/m] Stål Glasfiberarmerad plast Kolfiberarmerad plast Naturligtvis var detta enkla exempel avsett att visa på kompositers förträfflighet genom att belastningsfallet och responsen var vald för att ge kompositlösningarna ett anmärkningsvärt bra resultat. Dock belyser det hur man med relativt enkla medel, och genom att bara byta material kan erhålla viktsminskningar genom att använda kompositmaterial i stället för metaller. Detta förfaringssätt är dock ofta ineffektivt ur strukturmekanisk synvinkel, men genom en effektiv konstruktiv utformning kan man bygga strukturer som bär komplexa lastfall och är möjliga att tillverka rationellt.

11 Lätta konstruktioner 11 4 Slutsatser Ett livscykelperspektiv är absolut nödvändigt för att kunna motivera införandet av lättkostruktionskoncept. En mer avancerad konstruktion kräver en större insats vid konstruktionsarbetet och kan kosta mer i materialkostnad. Detta ska ställas mot de långsiktiga vinsterna som erhålls genom minskade underhållskostnader och en mindre miljöpåverkan. Naturligtvis kommer frågan upp om hur man värderar miljöpåverkan i pengar och det finns åtskilliga metoder som relaterar miljöpåverkan med livscykelkostnad. Just att använda sig av livscykelkostnad vid sådana jämförelser är av största vikt. Om man ska summera vilka fördelar kompositmaterial och sandwichkonstruktioner har tillsammans med några punkter att hålla i minnet skulle det kunna se ut så här: Låg vikt med bibehållen styrka och styvhet o Kan utnyttjas för att öka nyttolasten eller prestanda på annat sätt, till exempel att öka egenfrekvenserna i strukturen. Möjlighet att integrera funktioner o LCC-perspektiv är nödvändigt för att motivera till exempel ljud- eller termisk isolering. Reducerat underhållsbehov Reparation o Korrosion är okänt för fiberkompositer. LCC-perspektiv absolut nödvändigt! o Många kompositkonstruktioner är enkla att reparera, dock inte med traditionella metoder som till exempel svetsning. Även här är LCCperspektiv nödvändigt. Faktum kvarstår dock att införandet av kompositmaterial och nya konstruktionskoncept kräver en stor omställning i såväl konstruktion som produktion och underhåll. Om tillräckliga vinster kan påvisas skulle man dock kunna tänka sig att introducera fiberkompositer, men det kommer sannolikt inte att bli smärtfritt och det kommer att kräva initiella investeringar främst från tillverkarnas sida.

12 Lätta konstruktioner 12 Referenser [1] RID-S Statens räddningsverks föreskrifter om transport av farligt gods på järnväg. [2] M. Fahy och S. Tiernan, 2001, Finite Element Analysis of ISO Tank Containers, Journal of Materials Processing Technology, 119: [3] A. Bengtsson, K-A. Olsson och F. Maartmann, 1987, FE-analys av containertank, Institutionen för Lättkonstruktioner KTH, ILKRapport [4] A.G. Mamalis, M. Robinson, D.E. Manolakos, D.A. Demosthenous, M. B. Ioannidis och J. Carruthers, 1997, Review: Crashworthy Capability of Composite Material Structures, Composite Structures, 37, [5] A. Scholes, 1996, Developing Crashworthiness Technology in Europe, i Proceedings of the World Congress of Railway Research Conference 1996, WCRR96, Association of American Railroads 1996, [6] B. Lingg and S. Villiger, 2002, Energy and Cost Assessment of a High Speed Ferry in a Life Cycle Perspective, Department of Aeronautics, KTH, Skrift