Analys av lyftarm för Sublift. Stefan Erlandsson Stefan Clementz

Transkript

1 Analys av lyftarm för Sublift Stefan Erlandsson Stefan Clementz Examensarbete på grundnivå i hållfasthetslära KTH Hållfasthetslära Handledare: Mårten Olsson Juni 2010

2 Sammanfattning Syftet med rapporten är att utföra en hållfasthetsanalys av lyftarmskonstruktionen på Sublifts senaste projekt, en vagn som klarar upptagning av båtar på upp till 75 ton. En modell av lyftarmen skapades i Solid Edge och importerades till Ansys där den utsattes för de maximala krafter som uppstår på armarna vid användning. Resultaten visar att spänningarna i fjäder och kontaktpunkt mellan arm och gejd blir så höga att risken för omfattande plasticering och även brott är stor.

3 Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Innehållsförteckning... 3 Inledning... 4 Problemformulering... 5 Konstruktionsproblem... 5 Hållfasthetsproblem... 6 Metod... 7 Resultat... 8 Placering av rotationscentrum... 8 Lastfall Lastfall Lastfall Lastfall Lastfall Lastfall Lastfall Lastfall Sammanställning av lastfall Diskussion Slutsats... 14

4 Inledning Under åren arbetade Tullinge Teknik AB med att ta fram en produkt för att underlätta upptagning av båtar. Den första produkten som togs fram gick under namnet Slamkryparen och ses i figur 1. Produkten och ägandet av företaget Sublift har sedan Slamkryparens uppkomst genomgått många och stora förändringar. Sedan är det företaget Sublift AB som arbetar med utveckling och produktion av Sublift. Sublift AB är förlagt i Öregrund, där all produktion och utveckling sker. Under åren har det skapats ett flertal modeller för båtar upp till 12, 25, och 90 ton. Dessa vagnar är likartade men ändå med väsentliga konstruktionsskillnader. Sublift AB vill nu med hjälp av KTH ta fram en Sublift som skall klara båtar upp till 75 ton. Denna vagn skall vara av en sådan typ att den på ett smidigt sätt kan skalas upp för att kunna klara båtar upp till 150 ton och på sikt upp till 300 ton. Denna rapport kommer att inrikta sig på utveckling av den bärande armen, se Figur 2. Armen skall vara lätt att producera, det viktigaste med denna rapport är att se till att den klarar de påfrestningar som den kan tänkas utsättas för. Figur 1. Slamkryparen för båtar upp till 10 ton, en av de äldre modellerna.

5 Problemformulering I uppgiften ingår att lösa ett konstruktionsproblem och göra en hållfasthetsanalys på armarna som håller upp båten. Figur 2. Lyftarmen i originalutförande. Konstruktionsproblem Konstruktionsproblemet består av två delar. Placering av rotationscentrum för lyftarmen samt eventuell förlängning av lyftarmen i jämförelse med originalutförandet, se Figur 3. Som armen är placerad i originalutförandet kommer den att kunna röra sig från ca 0 grader till strax över 90 grader, se Figur 4. Det är önskvärt att armen kan röra sig så långt ut på utsidan av vagnen som möjligt, med så högt gradtal som möjligt. Det är dock ej nödvändigt att kunna röra armen till en större vinkel än 135 grader i belastat tillstånd. Anledningen till det är att man är beroende av att kunna vrida ut armarna när en båt skall lastas och lossas. Fördelen med att kunna få ut armarna utanför vagnen är att hela vagnen kommer in under båten. Detta leder till att det är båtens bredd som begränsar framkomligheten på land och inte vagnens bredd. Det är således önskvärt att flytta fästpunkten för armen för att få ett bättre vinkelspann. Detta görs med utgångspunkten att en båt med en undersida vinklad 22 grader inte ska slå i lyftarmen. Det är dessutom av vikt att lyftarmen kan komma in innanför ramen på vagnen för att kunna sänka ner t ex en container ända ner till marken. För att få ut armarna ännu mer är det önskvärt att förlänga lyftarmen med 200 mm.

6 Figur 3. Detaljplan för lyftarm visas. Hållfasthetsproblem Det huvudsakliga problemet ligger i att säkerställa att konstruktionen av armarna håller för de belastningar som de kommer att utsättas för. Vagnen är tänkt att klara båtar upp till 75 ton med lika fördelning på alla sex bärarmar. Det leder till att armarna skall klara en statisk belastning i vertikalled på ca 125 kn. Det är även viktigt att tänka på andra lastfall som kan skapa påfrestningar på konstruktionen som t ex hastiga inbromsningar, laterala påfrestningar som när man kör i en backe eller när båten spänns fast på ett sätt som inte är rekommenderat.

7 Metod En modell skapas i Solid Edge ST. Modellen är inte helt enligt ritningar. Cylinder, lyftarm, fjäder och armplåt är gjorda i en part vid simuleringen. Detta för att inte få oändliga spänningar i skarvarna. Istället för ämnesrör har det applicerats ett par plattjärn för att simulera att ämnesrören är fastsvetsade. Denna modell importeras till Ansys 12. Modellen utsätts för ett antal lastfall. Kraftriktning x-led y-led z-led Lastfall kn Lastfall 2 22 kn kn Lastfall 3 15,5 kn 15,5 kn -125 kn Lastfall 4-15,5 kn -15,5 kn -125 kn Lastfall 5-15,5 kn 15,5 kn -125 kn Lastfall Kn -125 kn Lastfall Kn -125 kn Lastfall 8 15,5 kn -15,5 Kn -125 kn Tabell 1. De lastfall modellen utsattes för. Lastfall 1 innebär en överbelastning på ungefär 60 % och resterande lastfall fås när släpet befinner sig i en backe åt något håll med en lutning av 10 o. Horisontell kraft vid 10 o lutning: Vinkeln på armen är densamma under alla simuleringar i Ansys 12. Detta för att spänningsfördelningen i konstruktionen endast beror av hur krafterna appliceras på cylindern. Eftersom kraften i simuleringen har applicerats i de flesta riktningar omkring denna bör alla tänkbara lastfall med vridning och böjning av armen innefattas i de valda lastfallen

8 Figur 4. Lyftarm i originalutförnade med axeldefinition samt definition av vridningsvinkel. Resultat Placering av rotationscentrum Enligt simuleringen i Solid Edge ST är det möjligt att flytta rotationscentrum. Det går att flytta rotationscentrum så mycket att hela konstruktionen blir spegelvänd. För att dessutom få möjlighet att bruka lyftarmen ännu längre ut var det fördelaktigt att förlänga både den undre och övre gejdern. Den konstruktion som tagits fram ser ut enligt Figur 5 och 6. Det finns dock en möjlighet att en båt kan slå i kanten på lyftarmen, därför görs en avrundning där. Figur 5. Bild med illustration av ett båtskrov med vinkel på 22, armvinkel 135.

9 Figur 6. Konstruktionen som den ser ut efter förändringar. Alla delar förutom Lyftarm, fjäder och gejd fick inte i något fall några nämnvärda spänningar. Dessa kommenteras i de lastfall där spänningen är hög i respektive del. Relevanta spänningar för de olika lastfallen redovisas i Appendix A. Lastfall 1 Sammanfattning De största påfrestningarna kommer att vara mellan Lyftarmen och den övre Gejden. Vissa, mycket små, delar kommer att ha spänningar över sträckgränsen, dessa delar är dock så små att det bedömt inte utgör någon risk för konstruktionen. Lastfall 2 Lyftarmen Spänningskoncentrationer finns i ett område runt kontaktpunkten med gejden där spänningar över sträckgränsen kan ses i ett ganska stort område, lokalt även spänningar större än brottgränsen. Armplåten och fjäder Även här finns ett större område, på övre sidan av fjädern, med spänningar över sträckgränsen och också små områden över brottgränsen. Här finns risk för kvarstående deformation, förmodligen inte brott.

10 Gejden Spänningen i kontaktpunkten är mycket stor men området är litet. I en del av detta område är risk för att plastisk deformation uppstår stor. Sammanfattning Spänningarna blir störst i kontakten mellan gejden och armen. Här finns även stora spänningskoncentrationer i fjädern. Dessa två områdens spänningar är väl över sträckgränsen och plasticering kommer att förmodligen att inträffa, risken för brott är stor. Lastfall 3 Armplåt och fjäder Högre upp på fjädern finns en spänningskoncentration över sträckgränsen vilket medför risk för större kvarstående deformation. Här är också ett mindre område med spänningar över brottgränsen som utgör en fara. Sammanfattning Plasticeringen i fjädern har potential att ge upphov till brott. Lastfall 4 Lyftarmen Ett ganska stort område med spänningar långt över brottgränsen finns nu i kontaktområdet vid övre gejden. Kvarstående deformation och risken för brott är stora. Fjäder Fjädern har i den övre delen ett mindre områden med stora spänningar som troligen kommer att ge upphov till plastisk deformation och även medföra risk för brott. Övre gejden Här finns ett mindre område med höga spänningar. Plasticering kommer att förekomma men i ett litet område. Sammanfattning Höga spänningskoncentrationer i övre gejdern och armens kontaktområde och vid fjädern finns i så stora områden att risken för brott är stor. Betydande deformation kommer att uppstå i dessa områden.

11 Lastfall 5 Lyftarmen Ett område vid övre armen och röret har spänningar upp mot sträckgränsen men detta är så litet att i princip ingen deformation bör ske. Ett litet område med spänningar runt sträckgränsen finns också i undre delen av röret, detta borde inte innebära någon fara. Armplåt och fjäder Övre delen av fjädern får spänningar som överstiger brottgränsen och därmed är risken för brott och plastisk deformation stor. Sammanfattning De höga spänningarna i fjädern innebär risk för brott och plastisk deformation i ett område som inte är obetydligt. Lastfall 6 Lyftarmen och cylinder Lyftarmen har fyra mindre områden med större spänningar, dessa är alla små till utbredningen. Spänningen som är i kontakten mellan cylindern och lyftarmen är så små att de inte utgör någon risk för konstruktionen. De spänningar som uppstår i kontakten mellan övre gejd och lyftarm är till magnituden över den tillåtna sträckgränsen. Dessa områden är dock så små att det troligen enbart kommer att innebära mindre plasticering som inte utgör fara för konstruktionen. Armplåten Här finns det områden med större spänningar, dessa är dock under sträckgränsen om kommer inte att utgöra någon risk. Övre gejden Här kommer det med största sannolikhet att ske plastisering, dessa områden är dock så små och uppkommer pga av den skarpa kanten att det med största sannolikhet ej kommer att utgöra någon fara för konstruktionen i praktiken. Sammanfattning Det finns vissa mindre områden med spänningar över sträckgränsen, speciellt på lyftarmen Dessa områden är dock så små att det ej kommer att kommer att utgöra någon fara för konstruktionen.

12 Lastfall 7 Sammanfattning Pga av det moment som kraften i y-led ger upphov till kommer kontaktkraften mellan lyftarmen och övre gejden endast att uppgå till ett maximum av ca 115 MPa. De största spänningarna kommer att uppkomma i cylinders nedre del. Dessa spänningars storlek är strax under sträckgränsen. Lastfall 8 Lyftarmen I kontakten mellan övre gejd och lyftarm uppstår ett områden med betydande plasticering och risk för brott. Detta område är relativt konstruktionen litet men ej tillräckräckligt litet för att kunna försummas. Armplåt och fjäder I kontakten mellan armplåt och fjäder uppstår ett större område med spänningar över brottgränsen. Övre gejdern Här finns också ett område med höga spänningar över brottgränsen men området är litet och kvarvarande deformation kommer inte att ugöra en risk för hållfastheten på konstruktionen. Sammanfattning Risken för brott är stor vid fjädern och i armen vid kontaktpunkten med övre gejden. Plasticering kommer att inträffa. Ett mycket litet område i nedre delen av cylindern har också spänningar över sträckgränsen. Detta medför dock väldigt liten fara. Sammanställning av lastfall Alla förutom två lastfall ger upphov till spänningar i fjädern som är större än brottgränsen, ett par av dessa ger spänningar dubbelt så stora som brottgränsen. Spänningar i armen i de områden som har kontakt med övre gejden blir också ofta större än brottgränsen. Detta medför en stor risk för omfattande kvarstående deformation och risken för brott är väldigt hög.

13 Diskussion Det kan konstateras att om strukturen ska klara av lutningar hos underlaget upp mot 10 grader kommer det i de flesta fall uppstå spänningar väl över brottgränsen i framför allt fjädern men även i kontaktpunkten mellan gejdern och armen, och det finns då möjlighet att konstruktionen fallerar. I övriga strukturer finns ingen anledning att tro att brott ska uppstå någonstans. För att vara säker på att strukturen ska hålla bör förstärkning av fjädern göras. Även kontaktpunkten mellan arm och övre gejd bör förstärkas. Den verkliga lutningen vagnen kommer att utsättas för är 1 på 12, det kan dock ske att vagnen kommer att användas i ramper med lutningen 1 på 10 vilket motsvarar 5,7 grader. Bärremmarna som håller upp båten kommer dessutom att spännas upp för att belastningen på lyftarmen skall vara så vertikal som möjlig. Dessutom kommer friktionen mellan båt och bärrem göra att kraften i praktiken kommer att bli mer vertikal än i teorin. Tar vi hänsyn till detta kommer vi att få ett helt annat resultat. I lastfallen som använts har hänsyn endast tagits till statisk överbelastning och hur krafterna ändras beroende på markens lutning. Anledningen till detta är att de hastigheter vagnen färdas med är så låga att eventuella hastighetsändringar blir små. Vid lastat tillstånd har vagnen en hastighet av ca 3 km/h. Inte heller då vagnen lutar är det relevant att tänka på dessa eftersom det redan konstaterats att statiska belastningar i dessa fall kan vara tillräckliga för att bryta av armarna. Lasterna antogs också vara jämnt fördelade så att alla armar hade samma belastning. Detta gäller troligen inte och då lasten blir ojämn kommer krafterna på vissa armar bli större än de uppskattningar som gjordes och armarna kommer då alltså inte att hålla. Rapporten tar inte hänsyn till materialutmattning eftersom att antalet lastcykler kommer att vara relativt få.

14 Slutsats En spegelvändning av konstruktionen är att föredra eftersom att användningen blir bättre och det går att konstatera att ett båtskrov slår i lyftarmen ungefär samtidigt som den slår i klammern på bottenplåten. Efter att ha studerat spänningsfördelningarna vid de olika lastfallen kan man konstatera att de farliga spänningarna uppstod vid applicering av sidokrafter som ger en vridning eller moment som armen ska ta upp. Dessa spänningar var i vissa fall väl över brottgränsen och de uppträder framför allt i fjädern men med vissa lastfall också i armen vid kontaktytan med gejdern. Här behövs förstärkning av konstruktionen för vagnen ska hålla för önskad belastning.

15 Appendix A - Lastfall Figurerna A1-A18 åskådliggör resultatet för lastfall 1 tom 8 enligt Tabell 1. Last fall 1 Figur A1. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A2. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

16 Lastfall 2 Figur A3. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A4. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

17 Lastfall 3 Figur A5. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A6. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

18 Lastfall 4 Figur A7. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A8. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

19 Lastfall 5 Figur A9.. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A10. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

20 Lastfall 6 Figur A11.. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A12. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

21 Lastfall 7 Figur A13. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A14. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.

22 Lastfall 8 Figur A15. Effektivspänningar enligt von Mises visas för spänningar över 200 MPa. Figur A16. Effektivspänningar enligt von Mises, alla spänningar.