Projektnummer Kund Rapportnummer D4.089.00 Lätta karossmoduler TR08-007 Datum Referens Revision 2008-10-27 Registrerad Utfärdad av Granskad av Godkänd av Klassificering Rolf Lundström Open Skillnaden mellan olika sätt att understödja en kaross. (Utvärdering av olika koncept för chassin till en kompositcontainer för godstransport på väg.) Rolf Lundström All rights reserved. No part of this publication may be reproduced and/or published by print, photoprint, microfilm or any other means without the previous written consent of SICOMP AB. In case this report was drafted on instructions, the rights and obligations are subject to the relevant agreement concluded between the contracting parties. Submitting the report for inspection to parties who have a direct interest is permitted. 2008 SICOMP AB. Sammanfattning Vid konstruktion av en sandwichpanel, till exempel ett golv till en container, så skiljer förutsättningarna avsevärt mellan hur golvet understöds. För att uppnå en optimerad total konstruktion så kan det vara så att ett dyrare chassi ger ett så mycket billigare golv att det ändå är en optimal konstruktion. Beräkningar är gjorda för att undersöka några av fördelarna och nackdelarna med 3 olika koncept av chassiuppbyggnad. De 3 studerade koncepten är: 1 En container monterad direkt på UNP-balkar 2 En självbärande container, lasten fördelas ut till sidorna. 3 En kombination av fall 1 and fall 2. Chassit i koncept 1 får troligen den lägsta produktionskostnaden. En annan fördel med koncept 1 jämfört med koncept 2 är att skjuvspänningarna i kärnan blir lägre. Men om koncept 1 väljs så måste anslutningen mellan golv och balkar göras på ett genomtänkt sätt så att inte tryckspänningarna i kärnan blir för stora. Tryckspänningar i kärnan från chassit undviks helt om koncept 2 väljs. Koncept 3 ger troligen det dyrbaraste chassit, men det är ett sätt att minimera skjuvspänningarna i kärnan. Med minimal belastning på kärnan kan den tillverkas på ett billigare sätt. Nyckelord: Distributions lista (endast för konfidentiella rapporter) Organisation Namn Kopior SICOMP AB P O Box 271 SE-941 26 Piteå Sweden tel +46(0)911 744 00 fax +46(0)911 744 99 www.ifpsicomp.se PART OF THE IFP SICOMP GROUP
Innehåll Page 1. Introduktion 3 2. De 3 koncepten 3 2.1. Koncept 1 4 2.2. Koncept 2 4 2.3. Koncept 3 4 3. Metod 4 4. Resultat 5 4.1. Balk teori 5 4.2. Tvärkraft och böjmoment för de olika koncepten 5 4.2.1. Koncept 1 5 4.2.2. Koncept 2 6 4.2.3. Koncept 3 7 4.3. FEM-beräkningar 8 5. Slutsatser 10 6. Tillägg 11 6.1. Inledning 11 6.2. Geometri koncept 1 11 6.3. Resultat koncept 1 13 6.3.1. Spänningar i kärnan 13 6.3.2. Spänning i övre täckskikt. 14 6.4. Geometri koncept 2 15 6.5. Resultat koncept 2 16 6.5.1. Spänningar i kärnan 16 6.5.2. Spänning i övre täckskikt och deformation av golvet. 17 6.6. Geometri koncept 3 18 6.7. Resultat koncept 2 19 6.7.1. Spänningar i kärnan 19 6.7.2. Spänning i övre täckskikt och deformation av golvet. 20 6.8. Summering av FEM-beräkningarna 21 2008 SICOMP AB 2
1. Introduktion Denna rapport är utarbetad inom projektet Lätta, självbärande karossmoduler, VINNOVAs diarienummer 2004-00720, projektnummer P25335-1. Som en inledande del av en konstruktion av en lättviktscontainer avsedd för transport på väg så är det väsentligt att bestämma hur den ska understödas av chassit om den är fast monterat på detta. Detta är en frågeställning som studerats även i tidigare projekt utförda på SICOMP, som tillexempel inom projektet ISOSYS. 2. De 3 koncepten De 3 studerade koncepten är: 1 En container monterad direkt på UNP-balkar 2 En självbärande container, lasten fördelas ut till sidorna. 3 En kombination av fall 1 and fall 2. Figur 1 Koncept 1 (till vänster), container monterad på UNP-balkar. Koncept 2 (I mitten), kontainer understödd på 4 punkter längs sidorna. Koncept 3 (till höger) kontainer bade understödd av UNP-balkar och på 6 ställen efter sidorna. Ett annat mycket intressant koncept som inte behandlas i denna rapport är att göra chassit till en integrerad del av containern. 2008 SICOMP AB 3
2.1. Koncept 1 För en semi-trailer eller för en container monterad på ett chassi är det vanligaste konceptet att chassi-balkarna används för att understödja golvet. Med balkar som understöder golvet blir böjspänningarna och troligen också skjuvspänningarna i golvet lägre än i koncept 2. Nackdelen med balkar i kontakt med golvet är trycket mellan balkar och golv. Vilket kan ge höga tryckspänningar i golvets kärna. 2.2. Koncept 2 En container till en semi-trailer kan vara av så kallad självbärande konstruktion. Då den understöds på endast ett fåtal punkter, företrädesvis nära hörnen. Detta är ett krav för vissa applikationer, tillexempel om containern skall kunna flyttas mellan olika transportslag. Till exempel vid så kallad kombitrafik då samma container används vid transpot på landsväg, järnväg och till sjöss. En sådan container kan inte optimeras för transport på landsväg eftersom de högsta kraven ställs vid järnvägstransport. När en sådan container tranporteras på landsväg måste chassit var konstruerat för denna typ av container. Chassit måste ha tvärsbalkar som går ut till fästpunkterna vid sidorna. Men notera att eftersom containern är så styv så behövs endast ett fåtal fästpunkter mellan chassi och container. 2.3. Koncept 3 Fördelarna och nackdelarna med de två nämnda koncepten leder till iden att undersöka ifall en kombination av dessa koncept kan ge en bra lösning. Därför är också ett koncept med både långa understödjande balkar och en självbärande struktur undersökt. 3. Metod En jämförelse är gjord mellan de de 3 olika koncepten. Beräkningar med användande av balkteori och FEM-beräkningar är utförda för de olika koncepten. De i FEM använda dimensionerna är samma som för en typisk semi-trailer. Men utvärderingen av koncepten bör gälla även för andra dimensioner. Beräkningar görs för att i första hand studera spänningar i olika delar av golvet. I alla beräkningar är en utbredd last av 360 kn antagen. Balk-teori ger en god förståelse men strukturen är alltför komplex för att balkteori skall ge ett i alla avseenden korrekt resultat. Därför är även FEM-beräkningar gjorda. 2008 SICOMP AB 4
4. Resultat 4.1. Balk teori I en avlång platta med längden a och bredden L, där a är klart större än L, belastad med en jämnt utbredd last uppstår samma maximala spänningar och deformationer som i en balk med längden L belastad med en jämnt utbredd last. De 3 koncepten är studerade med hjälp av teori för balkböjning för att få en grundläggande förståelse för vilka spänningar som uppstår vid de olika koncepten. Understöden är olika i de olika fallen, se Figur 2. Figur 2 Koncept 1 (överst), kontainer monterad på UNP-balkar. Koncept 2 (i mitten), container understödd på 4 punkter längs sidorna. Koncept 3 (nederst) container både understödd av UNP-balkar och vid sidorna. 4.2. Tvärkraft och böjmoment för de olika koncepten I alla fallen är det antaget att en jämnt fördelad last Q är pålagd. 4.2.1. Koncept 1 Maximal tvärkraft blir Q/4 och maximalt böjande moment blir QL/32. Se figur nedan. 2008 SICOMP AB 5
Figur 3 Tvärkraft och böjmoment vid koncept 1 4.2.2. Koncept 2 Maximal tvärkraft blir Q/2 och maximalt böjande moment blir QL/8. Se figur nedan. Figur 4 Tvärkraft och böjmoment vid koncept 3. 2008 SICOMP AB 6
4.2.3. Koncept 3 Maximal tvärkraft blir Q/6 och maximalt böjande moment blir QL/72. Se figur nedan. Figur 5 Tvärkraft och böjmoment vid koncept 3. I tabell nedan är de beräknade värdena summerade. Tabell 1 Sammanfattning av resultaten av beräkningarna då balkteori använts. Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Maximal tvärkraft (Ger skjuvspänning i kärnan) Q/4 Q/2 Q/6 Maximal tryckande kraft (Ger tryckspänning i kärnan) Q/2 0 Q/3 Maximalt böjande moment (Ger böjspänning på golvplattan) QL/32 QL/8 QL/72 Resultaten indikerar en mycket stor skillnad i tvärkraft mellan koncept 1 och koncept 2, men för en lättviktslösning kommer inte balkarna att ge fullt understöd längs hela containerns längd. För att få mer exakta resultat är även FEM-beräkningar gjorda. 2008 SICOMP AB 7
4.3. FEM-beräkningar Med hjälp av FEM-beräkningar är skjuv och tryckspänningar i kärnan, böjspänning i golvplattan samt deformationen av golvplattan speciellt studerade. Exempel på resultat av beräkningarna framgår av Figur 3, 4 och 5, där är skjuvspänningen i kärnan vid de olika koncepten plottade. Figur 6 Skjuvspänning i kärnan vid koncept 1. Figur 7 Skjuvspänning i kärnan vid koncept 2. 2008 SICOMP AB 8
Figur 8 Skjuvspänning i kärnan vid koncept 3. De viktigaste resultaten från FEM-beräkningarna framgår av Tabell 2. Tabell 2 Resultat av FEM-beräkningar. Spänningar och deformation för olika koncept av en komposit-container (semi-trailer) Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Skjuvspänning i kärnan (MPa) 0.08 0.14 0.06 Tryckspänning i kärnan (MPa) 0.30 0.02 0.19 Böjspänning i översida golvplatta (MPa) 14 34 15 Deformation, nedböjning (mm) 14 34 13 De största skillnaderna mellan koncept 1 (med containern monterad direkt mot längsgående balkar) och koncept 2 (helt självbärande) är: I koncept 1 får man höga tryckspänningar mellan balkar och golv. De existerar inte om koncept 2 används. I koncept 1 får man lägre skjuvspänning i kärnan än i koncept 2. Böjspänningen i täckskikten blir mycket lägre i koncept 1 än i koncept 2. Men man skall ha i åtanke att dimensionerna på täckskikten ofta ges av andra krav, till exempel krav att motstå en viss punktlast, därför kan denna fördel med koncept 1 troligen vara av mindre intresse. Utböjningen av golvet blir klart mindre i koncept 1 än i koncept 2, detta kan i den del fall vara intressant. Koncept 1 containern ger en styvare lösning. 2008 SICOMP AB 9
5. Slutsatser Om det inte finns speciella krav på att kunna flytta containern mellan olika transportslag så verkar koncept 1 vara den bästa lösningen. Den enda nackdelen med koncept 1 jämfört med koncept 2 är att det kan uppstå höga tryckspänningar mellan balkar och golv om inte de utformas på ett lämpligt sätt. Dessa tryckspänningar undviks helt med koncept 2. I koncept 3 måste ett chassi som är mer komplext än för de övriga koncepten användas. Koncept 3 är dock ett sätt att minimera belastningen på kärnan. 2008 SICOMP AB 10
6. Tillägg Som ett tillägg till denna bilaga redovisas gjorda FEM-beräkningar lite mer i detalj i detta kapitel. 6.1. Inledning FEM-beräkningar är utförda för olika konstruktioner (koncept) för komposit-containers. De har samma dimensioner som en typisk semi-trailer. Huvudsyftet med beräkningarna är att studera spänningen i olika delar av golvet för olika koncept. Till exempel variationen av skjuvspänningen i golvets kärna längs med golvet. Bara spänningarna i golvet, kompositdelen av semi-trailern är studerade. I alla beräkningar är en utbredd last av 360 kn antagen. Innersidan av golvet är belastad med trycket 0.01059 MPa. 6.2. Geometri koncept 1 Ytterdimensionerna är 13 600 x 3 240 x 2 600. Golv och tak har tjockleken120 mm och väggarna är 50 mm tjocka. De består av en sandwich med kärna (E=45 MPa) och täckskikt (E = 15 000) med en tjocklek av 2 mm. I denna 1:a modell är det antaget att den är monterad på längsgående UNP-balkar. UNP-balkarna har dimensionerna 300 x 100 x 12 och är tillverkade av stål (E = 210 000). Se figur nedan. 2008 SICOMP AB 11
Figur 9 Geometry av FE-modell I modellen är skal-element använda till täckskikten och för modellering av U-balkarna. Kärnan är modellerad med 3-d solid element. 2008 SICOMP AB 12
6.3. Resultat koncept 1 6.3.1. Spänningar i kärnan I följande 3 figurer är nedböjning, tryckspänning och skjuvspänning i kärnan plottade. Bakre delen av containern är vid z =0. Figur 10 Nedböjning, maximal nedböjning är 14 mm. Figur 11 Vertikala spänningar i kärnan. Notera att det är en dragspänning nära väggen och nära mitten av plattan. Vilket indikerar behov av en god sammanfogning av täckskikten vid detta ställe. Notera också att den högsta tryckspänningen blir 0.30 MPa. 2008 SICOMP AB 13
Figur 12 Skjuvspänning i kärnan, maximum är 0.08 MPa. 6.3.2. Spänning i övre täckskikt. I figuren nedan är böjspänningen i övre täckskikt plottad. Figur 13 Böjspänning i övre täckskikt. Maximal spänning är 14 MPa. 2008 SICOMP AB 14
6.4. Geometri koncept 2 I denna andra modell är dimensionerna exakt samma som i den 1:a. Enda skillnade är att det I detta fall inte finns några understödjande U-balkar. Istället understöds containern på 4 ställen nära sidorna. Se figuren nedan. Understöd Understöd Figur 14 Geometri i koncept 2, inga UNP-balkar endast stöd på 4 ställen. 2008 SICOMP AB 15
6.5. Resultat koncept 2 6.5.1. Spänningar i kärnan I följande 2 figurer är tryckspänning och skjuvspänning i kärnan plottade.. Understöd Figur 15 Skjuvspänning i kärnan, koncept 2, maximal spänning är 0.14 MPa. Figur 16 Vertikala spänningar i kärnan. Endast små spänningar uppstår. Maximal spänning är 0.02 MPa. 2008 SICOMP AB 16
6.5.2. Spänning i övre täckskikt och deformation av golvet. I figurerna nedan är nedböjningen och böjspänningen i övre täckskikt plottad. Figur 17 Nedböjning, maximal nedböjning är 34 mm. Figur 18 Böjspänning i övre täckskikt av golvet. Maximal spänning är 34 MPa. 2008 SICOMP AB 17
6.6. Geometri koncept 3 I denna tredje modell är dimensionerna exakt samma som i den 1:a. Skillnaden är att det i detta fall förutom understödjande U-balkar även finns understöd på 8 ställen nära sidorna. Lasten från hjul och king-pin överförs både till sidorna och till UNP-balkar. Se figuren nedan. Figur 19 Geometri i koncept 3. Lastöverföringspunkter är markerade med pilar. 2008 SICOMP AB 18
6.7. Resultat koncept 2 6.7.1. Spänningar i kärnan I följande 2 figurer är skjuvspänning och tryckspänning i kärnan plottade.. Figur 20 Skjuvspänning i kärnan, maximal spänning är 0.06 MPa. Figur 21 Tryckspänning i kärnan, maximalt 0.19 MPa. 2008 SICOMP AB 19
6.7.2. Spänning i övre täckskikt och deformation av golvet. I figurerna nedan är nedböjningen och böjspänningen i övre täckskikt plottad. Figur 22 Nedböjning, maximalt 13 mm Figur 23 Böjspänning i övre täckskikt, maximalt är den 15 mm 2008 SICOMP AB 20
6.8. Summering av FEM-beräkningarna De viktigaste resultaten från FEM-beräkningarna framgår av Tabell 2. Tabell 3 Resultat av FEM-beräkningar. Spänningar och deformation för olika koncept av en komposit-container (semi-trailer) Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Skjuvspänning i kärnan (MPa) 0.08 0.14 0.06 Tryckspänning i kärnan (MPa) 0.30 0.02 0.19 Böjspänning i översida golvplatta (MPa) 14 34 15 Deformation, nedböjning (mm) 14 34 13 De största skillnaderna mellan koncept 1 (med containern monterad direkt mot längsgående balkar) och koncept 2 (helt självbärande) är: I koncept 1 får man höga tryckspänningar mellan balkar och golv. Dom existerar inte om koncept 2 används. I koncept 1 får man lägre skjuvspänning i kärnan än i koncept 2. Böjspänningen i täckskikten blir mycket lägre i koncept 1 än i koncept 2. Men man skall ha i åtanke att dimensionerna på täckskikten ofta ges av andra krav som tillexempel krav att motstå en viss punktlast, därför kan denna fördel med koncept 1 troligen vara av mindre intresse. Utböjningen av golvet blir klart mindre i koncept 1 än i koncept 2, detta kan i den del fall vara intressant. Koncept 1 containern ger en styvare lösning. 2008 SICOMP AB 21