Viktoptimering av apparatskåp Examensarbete 15 hp

Transkript

1 180 hp Viktoptimering av apparatskåp Examensarbete 15 hp Utfört av: Fredrik Eriksson Lars Dahlstedt Examinator: Aron Chibba Handledare: Håkan Petersson Patrik Rivas Jan Rydén Högskolan i Halmstad Högskolan i Halmstad Saab Microwave Systems Saab Microwave Systems Ett examensarbete utfört enligt kraven för Högskolan i Halmstad för en Högskoleingenjörsexamen inom maskinteknik

2 Förord Examensarbetet är det avslutande momentet på vår utbildning för på högskolan i Halmstad. Examensarbetet omfattar 15hp, vilket motsvarar 10 veckors heltidsstudier. Projektet har utförts under våren 2009 och i samarbete med Saab Microwave Systems. Sida II Arbetet har varit mycket givande då vi fått använda kunskaper från många tidigare kurser, så som mekanik, hållfastighetslära, FEM, konstruktions- och tillverkningsteknik. Arbetet har också gett oss värdefulla kunskaper i CAD-programmen ProEngineer och ProMechanica förutom CATIA V5 som används i utbildningen. Vi vill tacka handledare och personal på Högskolan i Halmstad samt på Saab Microwave Systems i Göteborg för stöd och support som tillhandahållits. Halmstad, maj 2009 Fredrik Eriksson Lars Dahlstedt

3 Sammanfattning Rapporten avhandlar ett ämne inom maskinteknik, ett konstruktionsuppdrag från Saab Microwave Systems. Projektet går ut på att göra en viktoptimering av ett apparatskåp som sitter monterad i artillerilokaliseringsradarn ARTHUR. Sida III Projektets syfte är att uppnå en viktoptimering på 20-30%, dels genom andra material, som kolfiber och magnesium, men också genom annan design och utformning på detaljerna i skåpet. Hänsyn måste dock beaktas till kravspecifikationen som huvudsakliga beställaren fastställt, då främst att skåpet utgör ett EMI-skydd. Vi har tagit fram förslag på fackverksliknande förstärkningsribbor på de olika frästa detaljerna istället för de vertikala och horisontella ribborna. Detta tillsammans med en minskning av plåttjocklek har resulterat i lägre vikt. Om materialet också byts ut mot till exempel magnesiumlegeringen ZK60A som har sträckgräns och brottgräns motsvarande den redan använda aluminiumlegeringen så blir viktbesparingen ännu större på grund av magnesiums lägre densitet. Vi har dessutom tagit fram ett förslag på en ram i aluminiumprofiler som sedan kläs med aluminiumplåtar. Denna lösning resulterar inte i någon större viktminskning, men besparingen i tillverkningskostnad bör bli stor.

4 Abstract The report discusses a matter within mechanical technology, a structure commission from Saab Microwave Systems. The project exits on doing one weight-optimization of a device cabinet that sits assembled to ARTillery Hunting Radar ARTHUR. Sida IV The project's aim is to achieve one weight-optimization on 20-30%, parts through other materials but also through other design and formulation on the details in the cabinet. Considerations must however be taken into consideration to the requirement specification that the main client established, then in front that the cabinet constitutes one EMI-guard for electromagnetic fields. We have developed suggestions for a framed structure like reinforcement ribs on the various milled details instead of the vertical and horizontal ribs of the original parts. This, together with a reduction in plate thickness has resulted in a weight reduction. If the material is also exchanged with, for example, magnesium alloy ZK60A which has yield strength and tensile strength similar to that of the already used the aluminum alloy, the weight savings becomes even greater because of the lower density of magnesium. We have also developed a suggestion on a framework of aluminum profiles which are then covered with aluminum plates. This solution does not result in any significant weight loss, but the savings in production cost would be significant.

5 Innehåll sida Förord Sammanfattning Abstract 1. Inledning Företagspresentation SMW Projektbeskrivning Målsättning Kravspecifikation Metod, tillvägagångssätt Problemformulering Produktdefinition ARTHUR Funktion Tillverkning Arbetsförfarande 6 2. Idéfas Tankar kring olika material Omkonstruering av befintliga detaljer SEA91088_1 Plåt vid kylare SDK109535_1 Ovandel på skåpet SDD513184_1 täckplåt, baksida SES901403_1 Stag, fästen för kylare SEA91087_2 Ventilationsstyrningsplåt SXA _1 detalj till elektronikhyllan SXA _5 detalj till elektronikhyllan SXA _2 detalj till elektronikhyllan SXA _3 Frontlucka SXA _5 operatörslucka på front SDD _1 Gavlar 11 SDD _1 SDD513185_2 II III IV Sida V

6 2.3. Konstruera med aluminiumprofiler Utformning av skelettet Montering Argument för aluminiumprofiler Analys av vibrationstester 14 Sida VI 4. Analyser Förberedelser Pro/Mechanica Simulering av laster i skåpet Resultat 5.1. Resultat från analys av modifierat skåp Resultat av projektet Diskussion Källförteckning 7.1. Litteratur Internet 26

7 1. Inledning Rapporten redovisar resultatet av ett examensarbete på 15hp utfört vid på Högskolan i Halmstad. Projektet är utfört i samarbete med Saab Microwave Systems i Göteborg, benämns hädanefter SMW, och vi har tillämpat de kunskaper vi fått under vår treåriga utbildning. Sida 1 På vägen uppkom vissa problem i form av att välja metod för analyser. Efter många upprepade försök med Pro/Engineer och Mechanica om att få igång analyser för att utvärdera dagens SDU kom vi, tillsammans med Jan Lindahl på SMW, fram till att utföra en gravitationsbelastning på skåpet med 30 G i Pro/Mechanica. Det gick till en början bra, men det kvarstod fortfarande problem med programmet. Programmet visade sig ha svårt för att utföra analyser på detaljer som innehöll radier. Dessa radier är gynnsamma för konstruktionen men var nödvändiga att plocka bort för att kunna utföra en analys. Det uppstod även andra hinder under momentet med att utföra analyser, som vi lyckades lösa under projektet. Internetanslutning var nödvändig för att kunna använda licenser och programvara utanför SMW, men uppkopplingen mot internet bröts vid flera tillfällen. Under projektets gång har vi fått en god insikt om vilka möjligheter och begränsningar simuleringar och olika simuleringsprogram utgör. I backspegeln kan vi konstatera att vi uthålligt har kämpat på och klarat att lösa många oväntade och onödiga problem som uppstått under projektets gång.

8 1.1. Företagspresentation Saab Microwave System Vid andra världskrigets slut byggde Sverige upp ett starkt försvar och då fick Ericsson i uppdrag av svenska försvaret att licenstillverka radarn till spaningsplanet Lansen. Ericsson flyttade 1956 delar av transmissionsverksamheten till Mölndal och Hagåkersgatan. Anledningen till flytten var att det fanns gott om ingenjörer i Göteborg medan det i Stockholmsområdet var en överhettad arbetsmarknad och brist på ingenjörer. Sida 2 Fram till 2006 utvecklade Ericsson radarn till Viggen och Draken. Det utvecklades också flera versioner av luftvärnsradarn GIRAFFE, som tillverkades i över 400 exemplar och såldes till mer än 20 länder såldes enheten Ericsson Microwave Systems till Saab och sedan 2007 ingår det som en affärsenhet i Saab-koncernen, nu med namnet Saab Microwave Systems Radarverksamheten etablerar sig i Mölndal 1968 Omfattande tester av förmågan att mäta in rörliga mål 1972 GIRAFFE, markbaserad luftvärnsrobot presenteras 1982 Radarutveckling inleds till Gripen 1993 Första leverans av Gripen-radarn 1996 Flygande övervakningssystemet ERIEYE släpps 1999 Markbaserat artillerilokaliseringssystemet ARTHUR levereras 2006 Ericsson Microwave Systems köps av Saab och får namnet Saab Microwave Systems

9 1.2. Projektbeskrivning Apparatskåpet tillhör artillerilokaliseringsradarn ARTHUR (ARTillery Hunting Radar) och sitter monterad i en hydda container. Syftet med projektet är att konstruera om skåpets ingående delar för att minska totalvikten. Med en lägre totalvikt, men med samma hållfasthetsegenskaper, är det troligt att det slutliga resultatet blir en konkurrenskraftigare produkt. Sida 3 Vi skall främst minska material, där med vikten på stommen och plåtdetaljer i skåpet för att uppnå målet (se bilaga A Projektbeskrivning). SDU är benämningen, som vi fortsättningsvis använder för apparatskåpet i rapporten Målsättning Målet med en viktoptimering av SDU:n är att komma fram till en viktminskning på 20-30%. Skåpets startvikt med innehåll är 42kg och vårt mål är att få bort omkring 10kg material Kravspecifikation Minska vikten med % Tåla belastning på 30 G i x, y och z Mycket god ledningsförmåga mellan gavlar, tak och botten Jämn tillverkningskvalitet Resonansfrekvenser liknande originalskåpets Inga ändringar på innermått Inga ändringar av komponenternas placering Lättillgängligt innehåll Samma eller lägre tillverkningskostnad

10 1.5. Metod, tillvägagångssätt Arbetet inleddes med att vi undersökte skåpets delar, både fysiska delar och i datormodellen, så som gavlar, bottenplatta, fästen och plåtdetaljer (som styr luftcirkulationen till el-komponenter). Vi fokuserade på att hitta var på skåpet vi kunde ta bort och minska material. Ett antal punkter kommer att presenteras för handledare på SMW om hur en viktoptimering kan göras. Detaljerna arbetas sedan vidare med och olika analyser körs i Pro/Mechanica. Sida 4 Vi gjorde en brainstorming med diskussioner om hur skåpet kan skilja sig från hur det ser ut idag. Detta för att få ett bredare perspektiv på olika lösningar som kan vara lämpliga. För att få en överskådlig bild, och ett hjälpmedel vid planeringen av projektet, gjordes ett Ganttschema (se bilaga B). Olika delmål planerades in och verktyget var tänkt att underlätta projektets gång Problemformulering Projektets syfte är att utföra olika analyser på SDU:n och utefter dessa föra in våra ändringar i enheten. Med lämpliga lösningar hoppas företaget att kunna införa förslagen även på större modeller av apparatskåpen Produktdefinition ARTHUR ARTHUR, utvecklad av SMW, uppskattar artilleriprojektilers nerslagspunkt i förväg, och detta kan användas för att varna soldater på marken. Radarsystemet kan dessutom räkna ut var projektilerna avfyrats från, så hotet kan bekämpas. Information om avfyringsplats och nerslagsplats skickas till operatören, och allt detta sker inom sekunder. Radarn var ursprungligen utformad som en WLR (Weapon Locating Radar) för lätta infanteribrigader med hög rörlighet, som möts av ett stort artillerihot i svår terräng. Ursprungskonceptet har visat sig vara mycket flexibelt och Saab har lyckats anpassa radarsystemet till dagens krav utan att ändra på huvudkonceptet. Huvudlob och sidlober från en radarantenn.

11 Systemets extremt låga sidlober och en huvudlob som ständigt ändrar riktning gör den mycket svår att upptäcka och störa ut. Två eller flera ARTHUR-enheter kan samköras för att tillsammans täcka det intressanta området, och det minskar avsökningstiden med antalet enheter som samkörs. Det tar mindre än två minuter för en enda operatör att få ARTHUR operativ och mindre än en minut för att vara redo att flytta till en ny plats. Systemets låga vikt och ringa storlek gör att den kan bäras, som en självförsörjande container på en lastbil, eller integreras i arméns olika fordon med tillräcklig tillgänglig nyttolast och volym. ARTHUR kan också fjärrstyras på distans. Sida 5 Saabs mål är att hitta den bästa balansen mellan de nödvändiga egenskaperna mobilitet, räckvidd, noggrannhet, överlevnadsförmåga och servicebarhet Funktion SDU Signal data enheten, innehåller komponenter som behandlar och förädlar signalen från radarn. SDU:n filtrerar bort felaktiga ekon, som inte är relevanta för uppdraget, som t.ex. fåglar. Enheten levererar en lägesbild till en operatör. Artillerilokaliseringsradar ARTHUR vars funktion är att lokalisera fientligt artilleri, och inom några sekunder informeras operatören om både avfyrningsposition och nedslagsplats. ARTHUR ger bland annat de egna styrkorna ett förbättrat skydd mot hot. Utvecklingen av radarn har skett i samarbete mellan Norge och Sverige Tillverkning SDU:n är idag tillverkad av aluminium, frästa fickor i detaljerna som ska lätta den slutliga produkten. Eftersom den slutliga detaljen kan vara relativt grov men med stora och djupa fickor/urfräsningar så krävs det att ämnet, som bearbetas också har stor volym. Detta leder till att stora volymer av spillmaterial uppkommer och att tillverkningskostnaden tillsammans med långa maskintider blir hög.

12 Detaljerna är hopsatta med flertalet torx-skruv, tillsammans med en gänginsats, Helicoil. Fördelen med en torx-skruv är att den är konstruerad för att fungera bättre vid automatiserad montering. Användningen av Helicoil gänginsats ger en extra säkerhet. En gänginsats ger ett starkt förband i material med låg hållfasthet, vilket skåpets delar kan ha då det är lite gods vid merparten av skruvhål. Sida Arbetsförfarande Monteringen av skåpet sker sedan genom att mellanväggen skruvas i bottenplattan, därefter byggs skåpet inifrån och ut med ventilationsstyrningsplåtar och slutligen monteras komponenthyllor och kablage in. 2. Idéfas Vid uppstart gick vi igenom och dokumenterade samtliga detaljer tillhörande SDU:n, så att vi fick en tydlig bild om hur delarna var dimensionerade. Detta för att underlätta arbetet i ett senare skede. Arbetet resulterade i ett antal förslag på delar som kunde minskas i dimension och därmed minskades också vikten på detaljen. En annan lösning är att bygga skåpet med aluminiumprofiler och aluminiumplåt. Detta bör minska produktionskostnaderna och produktionstiden avsevärt eftersom frästa detaljer inte används i lika stor utsträckning, som med befintlig skåpmodell. På de frästa detaljerna har stora mängder material frästs bort, material som inte används men som ändå måste köpas in. Maskintiden som går åt för att fräsa spillmaterial försvinner också Tankar kring olika material Vår första tanke var att göra en viktoptimering genom att ersätta det befintliga materialet i skåpet med exempelvis kolfiber, spontant bör detta ge en stor viktminskning. Men eftersom skåpet innehåller elektronik, och man vill få ett skyddande skal, som effekt utav materialet. Metallen utgör ett EMI-skydd. Detta var ett problem om vi skulle välja att arbeta vidare med kolfiber som material. Ett annat problem med val av kolfiber är att tillverkningen av kolfiberdetaljer sker manuellt. Vid en serietillverkning av skåpen är det önskvärt att

13 endast små avvikelser kommer finnas mellan de slutliga produkterna och det kan vara svårt att uppnå med dagens tillverkningsmetod för kolfiberdetaljer. Vi finner att fördelarna med kolfiber inte överväger nackdelarna så detta var inget alternativ att arbeta vidare med. Andra material som skulle kunna användas istället för aluminium är rostfritt stål eller magnesium. En förutsättning för att välja rostfritt material är att hela konstruktionen optimeras för detta. Ämnet har högre densitet men dess fördel är att det har bättre hållfasthetsegenskaper, tack vare dessa kan den totala volymen bli mindre jämfört med aluminium och därmed blir vikten på den slutliga konstruktionen lägre. Vi valde att inte gå vidare med rostfritt stål eftersom godstjockleken i detaljerna hade blivit orimligt tunna om vi håller viktkraven. Dessutom finns det risk att egenfrekvensen påverkas negativt, detaljerna kan börja självsvänga i en vibrerande miljö. Därför måste materialtjockleken hållas på en vettig nivå. Känslan av en robust konstruktion och kvalitet är något som vi vill eftersträva, en egenskap som är önskvärd då kunden efterfrågar detta. Sida 7 Att välja magnesium istället ställer större krav på tillverkningen. Magnesium är mycket brandfarligt och tillverkningsprocessen blir mera komplicerad. Med rätt tillverkningsmetod så är det fullt genomförbart att ersätta det befintliga materialet med magnesium. Genom att höja matningshastigheten och använda skarpa verktyg tillsammans med riklig mängd skärvätska förhindras gnistbildning. Skarpa verktyg är ett krav för att kunna hålla hög matningshastighet utan varmgång. Detta är viktigt med tanke på att magnesiumspånen kan antändas om materialet kommer nära smälttemperaturen. Metallen har ingen tendens att kleta i verktyget vilket är en fördel jämför med aluminium. Magnesium erbjuder också mycket bättre dämpning än aluminium, och i vibrationshänseende är detta mycket fördelaktigt för att minska accelerationer och därmed även belastningen på de ingående delarna i konstruktionen.

14 2.2. Omkonstruering av befintliga detaljer I första skedet var vårt mål att uppnå så stor viktminskning som möjligt och här tar vi inte hänsyn till några kravställande parametrar. Tanken var att det skulle ge en överskådlig bild om var det fanns överflödigt material. En sammanställd matris över resultaten finns i bilaga D. Sida SEA91088_1 Plåt vid kylare Minskad plåttjocklek resulterar i en viktminskning till 985 g, vilket gav en minskning med 481g SDK109535_1 Ovandel på skåpet Genom att även justera om på stödribborna och öka urfräsningen till toppen på skåpet uppnås en viktminskning med 174 g SDD513184_1 Täckplåt, baksida Genom att minska plåttjockleken från 3 mm till 1,5 mm får vi en viktminskning med 50 %, 1,6 kg. Eftersom plåten har stor tvärsnittsarea trots tjockleken så tål den skjuvspänningar mycket bra och därmed kan tjockleken minskas. Med tunnare plåt finns risken att egenfrekvensen sänks och amplituden kan bli mycket större. Men eftersom element, mittgavel och andra Skåpet sett snett bakifrån. delar är skruvade i täckplåten hjälper dessa till att minimera risken för att plåtens egenfrekvens ska bli olämplig för konstruktionen och dess krav. Ytterligare en möjlighet att styva upp rena plåtytor är att pressa ett mönster, vilket resulterar i en vridstyvare plåt.

15 SES901403_1 Stag, fästen för kylare Godstjocklek minskat till 2mm (tidigare 3mm) samt 6mm (tidigare 8mm). Ytterligare viktminskning nås genom frästa spår i staget. 6 st. cirka 12 x 25mm. Denna åtgärd beräknar ge oss en viktbesparing på 230g för samtliga tre stagen. Enligt analyserna medges denna viktbesparing i hållfasthetssynpunkt. Ett av kylarstagen. Sida SEA91087_2 Ventilationsstyrningsplåt Minskar tjockleken på plåt till 1mm, får en total vikt på 0,77kg jämfört mot innan 1,14kg. Dessa plåtar har ingen bärande funktion och kan därmed minimeras i tjocklek. Tidigare vibrationstest har visat att plåten vibrerat sönder i inloppet och fästöronen, men modifieringar som radier och mer material runt hålen ska ge stabilare plåtar som håller för vibrationerna. Övre bilden skåpet sett framifrån. Nedre bilden visar en av ventilationsplåtarna för styrning av SXA _1 Detalj till elektronikhyllan Genom att göra en djupare urfräsning med 2 mm djup på båda sidor ger detta 81 g besparing per detalj, vilket borde ge oss en viktminskning från 276 till 195 g. Detalj till rack för elektroniken SXA _5 Detalj till elektronikhyllan Väljs en plåt med tjockleken 3 mm och bockar upp två kanter för ökad stabilitet, istället för en fräst 8 mm plåt utan stabiliserande kanter minskas vikten från 1080g till 490g. Detalj till rack för elektroniken.

16 SXA _2 Detalj till elektronikhyllan Byter från 8,8 mm tjock fräst detalj till 3 mm bockad plåt ger en viktminskning på 280g per sida. Ändringen av utformning motiverar vi med att detaljen inte belastas nämnvärt, och vi anser att tjocklek på 8,8 mm är i överkant. Dessutom sitter en plåt skruvad i bakkant och denna plåt tillför också stabilitet till enheten. Efter diskussioner med konstruktörer på SMW framkom att tidigare tester visar att denna lösning inte var lyckad i vibrationshänseende. Detalj till rack för elektroniken. Sida SXA _3 Frontlucka Minskar vi plåttjocklek från 2,5 mm till 2 mm ger detta oss en viktminskning på 500g. Luckan har ingen bärande funktion utan ska bara skydda skåpets komponenter för yttre åverkan och miljö. Frontlucka SXA _5 Operatörslucka på front Eftersom luckan inte utsätts för en belastning så bör det gå att minska plåttjockleken till 1,5 mm från 2 mm, därmed minskas vikten från 627 g till 428 g, dvs. en viktminskning på nästan 200 gram (199 g). Operatörslucka på front.

17 SDD _1 Gavlar SDD _1 SDD513185_2 Idén med ändringen av gavlarna var att minska stödribborna. Vi har diskuterat ändringar till ett mönster med triangulering. Ribborna kommer att ta upp last från ett fäste och fördela detta vidare till en stabilare punkt där en annan detalj hjälper till att stödja. Hänsyn har tagits till hållfasthet med mera. Vi har även gått ner i tjocklek på de frästa områdena från 2 mm till 1,5 mm. Sida 11 Vänster gavel Före ändring Gavel inuti enheten Före ändring Höger gavel Före ändring Vänster gavel Efter ändring Gavel inuti enheten Efter ändring Höger gavel Efter ändring 2.3. Konstruera med aluminiumprofiler Vi diskuterade om att byta ut merparten av de bärande detaljerna till aluminiumprofiler, som ger en stark konstruktion med låg vikt. Denna lösning kanske inte resulterar i lika stor viktminskning, men tekniken på lösningen kan vara enklare att införa till övriga apparatskåp hos beställaren.

18 Vi anser att en aluminiumprofil med tvärsnittsarean på ca 20x20 mm är lämplig att använda för att ersätta gavlarna. En annan fördel med att använda aluminiumprofiler är att tillverkningskostnaden minskas. Idag går det åt mycket material för att fräsa ut de bärande gavlarna från stora aluminiumblock, vilket resulterar i stora mängder aluminiumflisor i spillmaterial. Nackdelen med detta skåp är att det blir svårt att få ett fullgott EMI-skydd, detta på grund av spalter mellan profiler och plåtar. Sida Utformning av skelettet För att få en stabil konstruktion med aluminiumprofilerna valde vi att göra en ram, som sedan elektroniken monteras in i och därefter fästes täckplåtar på utsidan för att få en skyddande effekt utav plåten, som skyddar innehållet i skåpet. Utformningen av skåpet ska i princip följa dagens modell, dock med undantag för vissa justeringar, som behöver göras för att kunna fästa profiler mot detaljer som behålls, så som hållare till kylare och fästen för ventilationsplåtar. Stomme till SDU

19 Montering Ramen monteras med aluminiumprofiler som kapas i rätt längder, därefter fixeras dessa med vinklar (se bild till höger). Plåtarna fixeras med muttrar som förs in i spåren på profilen. Övriga komponenter skruvas i profilen, exempelvis fästen för ventilationsplåtar, kylarstag och komponenthyllor. Tvärsnitt på aluminiumprofil. Vinkelkoppling Sida Argument för aluminiumprofiler Att införa aluminiumprofiler i tillverkningen av skåpet borde resultera i kraftigt minskade materialkostnader. Vid bearbetningen av befintliga gavlar utgår man från ett solitt ämne och fräser bort överflödigt material. Denna operation är både tidskrävande och ger stor mängd spillmaterial. Att införa aluminiumprofiler resulterade inte i den önskade effekten som vi kom fram till i idégenereringen, eftersom viktminskningen blev försumbar. Men det finns fortfarande fördelar med att använda principen med profiler. Bearbetningskostnaden beror på många faktorer, en kombination utav verktyg, personal och kring utrustning. Vid bearbetningen av en detalj är det mycket material, som skall bearbetas bort från grundämnet för att uppnå önskad form på slutlig detalj. Detta resulterar i långa maskintider, som påverkar den slutliga bearbetningskostnaden, tillsammans med ökat slitage på både verktyg och maskin, leder det till höga kostnader för produktionen av skåpet. Detta skulle kunna minskas om man väljer att använda aluminiumprofiler för konstruktionen av SDU:n. En annan bra aspekt är ur ekonomisk synvinkel genom inköp av råvaror och tillverkning med denna lösning. Tillverkningskostnaden för detaljen kommer att bli lägre jämfört med nuvarande tillverkningsmetod. Väljer man att införa aluminiumprofiler bör tillverkningskostnaden sjunka. Därmed anser vi att det finns motiv att använda aluminiumprofiler ur både ekonomisk synpunkt, miljömässig och för att få en låg vikt på konstruktionen.

20 Analysen ur ekonomisk synvinkel är enbart uppskattad men blir motiverande då förstudien visar att det ur en ekonomisk synvinkel är mindre kostsamt. Vid diskussioner med handledare på SMW, Jan Rydén, kom vi gemensamt fram till att metoden skulle kunna minska tillverkningskostnaden och var därför intressant. Eftersom det inte går att få fram data i dagsläget för hur stor tillverkningskostnaden för en specifik detalj är så lämnar vi detta avsnitt men med en notering om att det skulle vara möjligt att sänka kostnaderna för tillverkningen. Sida Analys av vibrationstester Apparatskåpet testas i en skakrigg med olika accelerationer och pulsformer. Sinuspuls, sågtandspuls och resonansprov har körts. Värmetålighet, köldtålighet, ljudnivå och fuktbeständighet har också testats efter krav satta på radarsystemet, men detta är inget vi tittat närmare på eftersom det inte ingår i uppdraget. Apparatskåpet bultas fast i skakriggen, likt monteringen i containern till ARTHUR:n och eftersom riggen bara kan skaka i en ledd så måste skåpet vridas manuellt inför varje ny skakriktning. Apparatskåpet har fästen i bottenplattan och på gavlarna, men i skakriggen har enbart fästena i bottenplattan använts. Anledningen till att fästena i gavlarna inte har använts är att de fästs i väggen, och vid färd kan väggarna röra sig annorlunda än golvet. Några av testerna som SMW utfört: Vibration med 1,5 G acceleration sinusvåg i Hz. Under detta test kör man svep där frekvensen ökar med 1 oktav (intervallet mellan två toner vars frekvensförhållande är 2:1) per minut från 5 Hz till 500 Hz. Man har kört 6 svep per riktning i 3 riktningar, X, Y och Z-led.

21 Transient stöt med 15 G acceleration halvsinuspuls, med duration på 11 ms. Apparatskåpet utsätts för 3 stötar i varje riktning, dvs. 3 stötar i +X, 3 stötar i X och samma gäller för Y och Z. Totalt 18 stötar. Sida 15 Transient sågtandsstöt med 20 G acceleration med duration på 11 ms. Antal stötar är samma som för 15 G halvsinus, dvs. totalt 18 stötar i 6 riktningar. Efter att dessa tester har gjorts har man gått igenom apparatskåpet och kontrollerat eventuella skador. Accelerometrar har placerats på utsatta detaljer i apparatskåpet, och med hjälp av dessa har accelerationer i X-, Y- och Z-led på olika platser i skåpet kunnat mätas. Dessa uppmätta värden har satts i relation till skakriggens acceleration, och på så sätt har maximal förstärkning kunnat utläsas. Maximal förstärkning uppkommer när skakriggen nått samma frekvens som den accelerometerförsedda detaljens egenfrekvens. Utifrån rapporter med testdata från skakriggen hos SMW utläser vi, i samråd med Jan Lindhal på SMW, att maximal förstärkning i konstruktionen uppgår till 20 gånger. Därför har analyserna utförts med en acceleration på 30 G (1,5 G x 20). Kurvan visar accelerationen uppmätt av en accelerometer, förstärkning av sinusvågen på 1,5G blir 20 gånger, dvs. 30G.

22 Det belastningsfall som enligt testerna och utvärderingen påfrestat apparatskåpet mest är 1,5 G sinusvåg i 5,5-200 Hz. Detta beror på att vid vissa frekvenser självförstärker detaljerna varandra, de har liknande egenfrekvens. Resonans uppstår. Resonans är ett fenomen hos oscillerande eller vibrerande system som även innebär att en svag periodisk yttre störning nära systemets egenfrekvens kan leda till att systemets svängningsamplitud och dess accelerationer ökar kraftigt. Ökningen beror på frekvensen och blir maximal då frekvensen är lika med det odämpade systemets egenfrekvens. Vid resonans kan stora energibelopp överföras av den pådrivande kraften till det vibrerande systemet, varvid skador eller driftstörningar ofta uppstår. Fenomenet har stor teknisk betydelse bland annat ur hållfasthetssynpunkt och säkerhetssynpunkt. Sida 16 Det optimala hade varit att få frekvensområdet Hz fritt från resonanser och det kan man enklast åstadkomma genom att den första resonansfrekvensen läggs väl över de högsta förekommande excitationsfrekvenserna, som här är 500 Hz. Detta är dock mycket svårt att åstadkomma för den aktuella konstruktionen med ett stort antal delar med olika egenfrekvenser sammansatta. Det går inte heller att placera driftfrekvenserna mellan uppträdande resonanser eftersom resonanstestet har så stort spann, men även här på grund av att konstruktionen har så många ingående delar. Hade en konstant excitationsfrekvens använts hade det varit möjligt att helt undvika resonansområdena, men så är dock inte fallet. Användningen av magnesium istället för aluminium i konstruktionen bör maximal förstärkning och därmed också maximal acceleration kunna minskas på grund av de utomordentliga dämpningsegenskaperna hos magnesium. Genom att köra ett resonanstest före en stöt (t.ex. en transient halvsinusstöt) och ett resonanstest efter stöten kan man med hjälp av accelerometrarna se om de olika delarnas egenfrekvens ändrats pga. stöten. Har egenfrekvensen ändrats visar detta att konstruktionen deformerats. Det är dock svårt att se i testdatan (kurvorna) vilken eller vilka detaljer, som har deformerats, eftersom allting sitter ihop och delarnas egenfrekvenser påverkas av varandra. Accelerometrarnas resultat sätts i relation till skakriggens acceleration, och eftersom

23 t.ex. accelerometern på övre rackhyllan påverkas av gavlar, rackhylla och hållare till rackhylla. Kan inte enbart en detalj pekas ut, som enhälligt påverkande till resultatet. 4. Analyser Sida 17 Analyserna har vi främst gjorts i Pro/Mechanica och delvis i CATIA V5. Under projektet har vi stött på problem med arbetet med att förbereda CAD-modellerna inför en analys, vilket främst gäller arbetet i ProMechanica Förberedelser Pro/Mechanica Vi har kört analyser i Pro/Mechanica på apparatskåpet. För att minska beräkningstiden och minimera risken att programmet stänger av sig själv och för att det får för mycket att arbeta med, har övre rackhylla, nedre rackhylla, ventiler i vänstra gaveln samt fläktenhet plockats bort och ersatts med motsvarande massa i dess respektive tyngdpunktscentrum Simulering av laster i skåpet På laster i skåpet, elektronikdelar, kylventiler, kylare m.m. har tyngdpunktscentrum beräknats i Pro/Engineer med ett nyskapat koordinatsystem som hjälp. Detta är placerat i ett av den mellersta gavelns skruvhål för upphängning av rackhyllan. Ett koordinatsystem på motsvarande plats i modellen aktuell för analys har placerats ut, och en punkt har placerats ut i rymden med utgång från det koordinatsystemet. Denna lösning har även använts för att räkna ut tyngdpunkten för kylare och nedre rackhylla. Bilden visar hur vi har simulerat lasterna som kylaren och racken med komponenter utgör. På så sätt har vi kunnat sätta en massa i analysmodellen motsvarande den aktuella assemblyns tyngdpunktscentrum (ex. övre rackhylla med elektronikkomponenter) för att simulera dess masscentrum i rätt koordinater.

24 Det är viktigt att få tyngdpunkterna för de olika assemblysarna rätt i både X-, Y- och Z-led för att belastningen på de ingående detaljerna ska bli så nära verkligheten som möjligt. Dels för att få rätt krafter på rätt skruvhål, men även för att få rätt moment eftersom en tyngdpunkt som inte ligger i linje med skruvhålen genererar ett moment som kan bli betydande när hela modellen belastas med 30 G. Sida 18 Smooth virtual part är en stel kropp som förbinder en viss punkt till en viss geometri. Den beter sig som ett stelt föremål med densiteten nära noll. Funktionen som mjukt överför massor och laster är ansatta i en punkt i centrum på den virtuella parten. Den styvar heller inte upp den detalj där den är applicerad. Rigid virtual part är nästan samma sak som en smooth virtual part, med enda skillnaden att den lokalt styvar upp detaljen där den är applicerad. Bilderna visar hur vi har simulerat lasterna som kylaren och racken med komponenter utgör. Eftersom ovan nämnda funktioner inte finns i Wildfire 2.0 så har vi gått på en annan lösning. Från tyngdpunkterna på ingående assemblys har vi satt ut beams till de olika skruvhålen. Vi har definierat en mycket hög vridstyvhet men minimerad densitet för att simulera spider elements som inte finns i Pro/Engineer Wildfire 2.0. Detta finns i Wildfire 4.0. Så det hade troligen underlättat avsevärt att använda den versionen för arbetsuppgiften (funktionen finns även i Catia V5). Vi har dock inte testat Wildfire 4.0, enbart tagit del av informationen om uppdateringarna.

25 För att vi ska få det att fungera hjälpligt i Pro/Engineer Wildfire 2.0 (dvs. klara sig igenom en analys i Pro/Mechanica utan felmeddelanden) måste detta göras: En centrumlinje och en punkt måste skapas i varje skruvhål för att kunna fästa beamsen från de olika assembleringarnas tyngdpunkter. Sida 19 En edge/curve beam med maximerad vridstyvhet och minimerad densitet måste sättas runt varje skruvhål. En point-surface beam måste sättas från punken på hålets centrumlinje till hålets invändiga yta, i varje skruvhål. Sätt ut point-point beams från hålens centrumpunkter till tyngdpunktspunkten. Jämfört med riktiga spider elements ger detta mycket höga dragoch tryckspänningar i skruvhålen, eftersom bara kanten på hålet belastas. Värden för skruvhålen är alltså ej tillförlitliga och skall inte vara dimensionerande för konstruktionen, medan resterande av konstruktionen belastas på ett riktigt och verklighetsnära sätt. Att skruvhålen håller och ej deformeras allvarligt får istället räknas för hand (se bilaga C). Det finns även tester från labb på att det inte finns några problem med just skruvhålen. Dessutom uppstår kontaktspänningar från kanter på vissa detaljer som pressar på en yta när ytan böjs över kanten. Dessa bortses också från pga. i analysen har enskilda noder belastats, och därför får vi orimliga värden även där. Apparatskåpet har körts i skakrigg med olika belastningsfall, i form av vibrationer. Vi har tolkat testresultaten att maximal belastning motsvarar 30 g i X-, Y- och Z-led utifrån den testdata som tilldelats från SMW. Vi har även vid simuleringen tagit hänsyn till lasten som fläktkåpan utgör. I fläktkåpans tyngdpunktscentrum ligger istället en last fördelat över samma kant som kåpan belastar.

26 5. Resultat 5.1. Resultat från analys av modifierat skåp För att kunna utvärdera våra ändringar av bland annat gavlarna så har analyser av det modifierade skåpet körts i Pro/Mechanica i tre ledder, dvs. X, Y och Z-led och med 30 G i acceleration. Sida 20 Hålkanttrycket är mycket missvisande i resultatet av analyserna (beskrivits i avsnitt 4.2), och vi var tvungna att på några detaljer, att manuellt ändra skalan i Pro/Mechanicas resultatvisare för att visa det intressanta spannet av drag- och tryckspänningar, dvs. upp till 290 MPa. Hålkanttrycken har istället beräknats för hand, och dessa uträkningar finns i bilaga C. Max tillåtet antal nivåer på skalan är 15, och med toppar på 5000 MPa i skruvhålen (se avsnitt 4.2) blir det 300 MPa mellan varje nivå, och det är alldeles för stort spann för att vi ska få ut något av resultatet. Vi har ändrat till 40 MPa mellan varje nivå, då detta ger att det blir mycket lättare att utläsa korrekta drag- och tryckspänningar. Materialvalet valde vi att behålla oförändrat och det aktuella materialet klarar av spänningar upp till 290 MPa. Projektet mynnade ut i två utgångar. Målet med minskad totalvikt uppnås med att vi ändrar detaljernas design medans vår andra idé om att använda aluminiumprofiler i konstruktionen som ger en stark konstruktion resulterade inte i minskad vikt men däremot bör detta vara ett mera kostnadseffektivt sätt att välja vid tillverkningen. Med de omgjorda detaljerna ser vi att SDU:n fortfarande uppfyller kraven för den belastning som den utsätts för i våra analyser. I bilaga E finns bilder som presenterar några kritiska detaljer.

27 5.2. Resultat av projektet Examensarbetets uppgift visade sig inte ha den gång vi förutspått, målet var att utföra en viktoptimering. I uppgiften ingick det att arbeta mycket i Pro/Mechanica. Att göra denna typ av analyser visade sig vara komplicerat, det var ett problem att SDU:n innehöll för många komponenter och radier som gjorde det svårt för programmet att lösa. Att utföra en sådan uppgift av denna storlek visade sig vara praktiskt olämpat, då det är en mycket tidskrävande process. Sida 21 Vi stötte på många hinder, bland annat; Internetuppkopplingen bröts på grund av för hög belastning i nätverkskortet. (Internettuppkoppling var nödvändig för att köra Pro/Mechanica externt från SMW). Windows kunde inte tilldela tillräckligt RAM-minne till processen så programmet avslutades flertalet gånger. Lösningen var att minska antalet komponenter samt plocka bort radier i modellen (radierna är gynnsamma för modellen i hållfasthetssynpunkt). Programmet hade svårt att mesha en assembly om detaljerna hade radier på fel ställe, dvs. i kontaktytorna mellan detaljerna. Då gick vinklarna mellan ytorna på de olika detaljerna mot 0 och programmet kunde inte mesha. Radierna är gynnsamma för konstruktionen men var alltså nödvändiga att plocka bort för att kunna utföra en analys, både för att kunna mesha och för att senare kunna köra analysen. Svårigheten var även att lösa hur vi kunde ersätta komponenthyllan mot en simulerad last. Då detta inte var ett kommando, som finns i Pro/Mechanica Wildfire 2.0 (kommer i uppdateringen Wildfire 4.0) fick vi lösa det med edge curve och beam (beskrivet i avsnitt 4.2) med en densitet nära noll så den inte påverkade analysen nämnvärt. Det uppstod dock fel med simuleringen av skruvhålen där dessa fästes. Lösningen fördelade inte belastningen jämnt i hålen, som det var tänkt, utan den belastade yttre kanten, vilket gav missvisande spänningar i området. Men då vi har räknat på hålkanttrycket separat har det visat sig vara väl tilltagna för belastningen.

28 Egenfrekvensanalyser kunde inte utföras på det sammansatta apparatskåpet på grund av för lite minne. Pro/Mechanica avslutade beräkningarna efter cirka en timme. Åtskilliga försök har gjorts att få igenom en egenfrekvensanalys, men alla försök har misslyckats på grund av problem med utrustningen. Utvalda resultat av viktminskningsarbetet visas nedan. För fullständigt resultat, se bilagor. Sida 22 Material: Aluminium EN AW 6082-T6 Modifierat apparatskåp inkl. modifieringar på frästa delar till rackhyllor men utan detaljer som ej går att påverka, dvs. elektronik, kylelement med mera. Viktbesparing på påverkbara detaljer. o Viktbesparing 5674 g, dvs. 19,07 % Modifierat apparatskåp utan modifieringar på frästa delar till rackhyllor och utan detaljer som ej går att påverka, dvs. elektronik, kylelement med mera. Viktbesparing på påverkbara detaljer. o Viktbesparing 3693 g, dvs. 12,41 % Total viktbesparing på komplett apparatskåp i aluminium inklusive fläktenhet, elektronik, kylelement med mera blir 8,73 %.

29 Material: Magnesium ZK 60 A Modifierat apparatskåp inkl. modifieringar på frästa delar till rackhyllor men utan detaljer som ej går att påverka, dvs. elektronik, kylelement med mera. Viktbesparing på påverkbara detaljer. o Viktbesparing g, dvs. 45,15 % Modifierat apparatskåp utan modifieringar på frästa delar till rackhyllor och utan detaljer som ej går att påverka, dvs. elektronik, kylelement med mera. Viktbesparing på påverkbara detaljer. o Viktbesparing g, dvs. 40,64 % Sida 23 Total viktbesparing på komplett apparatskåp i magnesium inklusive fläktenhet, elektronik, kylelement med mera blir 20,66 %. På grund av densiteten hos magnesium och dess dämpande egenskaper kan denna lösning anses vara bäst ur både viktbesparingssynpunkt och vibrationssynpunkt för att minska belastningarna på konstruktionen Omodifierat skåp Al 29,7Kg Modifierat Al 24 Kg Modifierat Mg 16,3 Kg 5 0 Diagrammet illustrerar viktminskningen i Kg

30 6. Diskussion Projektet har varit mycket utvecklande och givande, vi har under arbetets gång haft möjlighet att tillämpa många av de kunskaper vi har förvärvat under utbildningen. Vid projektets uppstart fick vi i uppdrag att utföra en viktoptimering av ett apparatskåp tillhörande Saabs artillerilokaliseringsradar ARTHUR. Uppgiften visade sig vara något mera avancerad än väntat, med stora FE-analyser som följd. Eftersom skåpet fortfarande skulle klara av satta hållfasthetskrav var analyser av hela modellen nödvändig då delarna påverkade varandra både positivt och negativt i konstruktionen. Det uppstod vissa begränsningar för projektets gång, hjälpmedel som fanns tillgängligt klarade inte av alltför avancerade beräkningar och det uppstod komplikationer med att förbereda CAD-modeller inför flertalet körningar. Detta skapade också vissa oklarheter om hur brett arbetet skulle bli för att det fortfarande skulle bära viss akademisk nivå på projektet. Sida 24 Vi kom fram till tre förslag om viktminskning, det första avsåg att minska materialet på befintliga komponenter, det andra att införa aluminiumprofiler, som bärande stomme och det tredje att både minska materialåtgången och samtidigt byta materialet. Vägen fram till vårt mål såg inte ut som vi hade förväntat oss. Många felmeddelanden och hinder som skulle övervinnas uppstod på vägen innan projektet flöt åt samma håll som vi strävade efter. Det slutliga resultatet genererade en viktminskning med hela 45 %, då räknat med detaljerna som vi kan påverka. Den totala viktminskningen med fullt utrustat apparatskåp blev 20,7 %. Målet för viktoptimering var ställt till %, vilket vi lyckats mycket väl med. Genom en hel del motgångar under projektets gång, har vi utvecklat vår kompetens och löst oväntade problem. Vi har även fått god insikt i vilka möjligheter Pro/Engineer och Pro/Mechanica utgör, men även vilka begränsningar, som finns. Projektet har lett till kunskaper om vilka förenklingar, som måste göras, för att det ska fungera tillfredställande. Eftersom projektet har utförts i ovan nämnda program så har vi även haft möjlighet att för vår egen skull jämföra dessa med Catia V5 som vi har använt under hela utbildningen. Dessutom har vi nu erfarenhet från två olika cadprogram, vilket kan vara meriterande. Examensarbetet har gett oss god inblick hur verksamheten på Saab Microwave Systems mekanikavdelning fungerar, dels som företag och dels som arbetsgivare.

31 7. Källförteckning 7.1. Litteratur: Formler och Tabeller för Mekanisk Konstruktion Karl Björk Björks Förlag HB, sjätte upplagan Primärkonstruktion Fredy Olsson Studentlitteratur, Lunds Tekniska Högskola, 1995 Principkonstruktion Fredy Olsson Studentlitteratur, Lunds Tekniska Högskola, 1995 Modern produktionsteknik, del 1 Lennart Hågeryd, Stefan Björklund, Matz Lenner Liber AB, 2007, andra upplagan Modern produktionsteknik, del 2 Lennart Hågeryd, Stefan Björklund, Matz Lenner Liber AB, andra upplagan Maskinelement Karl-Olof Olsson Liber AB, 2006, första upplagan Teknisk hållfasthetslära Tore Dahlberg Studentlitteratur, 2001, tredje upplagan Handbok för konstruktörer Sapa Profiler AB och J&L Annonsbyrå AB, fjärde reviderade upplagan Sida 25

32 7.2. Internet: Saab AB Saab Microwave System AluFlex Group Aluminiumprofiler, beslag Sida 26 Cevican AB, Solid Components TM Aluminiumprofiler, beslag Nationalencyklopedin KG Fridman AB Materialdata Magnesium Elektron Konstruktörslotsen lotsen.ivf.se/main.htm The University of Queensland