Kalottikennorakenteiden levyliitosten suunnittelu ja tarkastelu väsyttävässä kuormituksessa
Myllymäki, Mikko (2016)
Kandidaatintyö
Myllymäki, Mikko
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016091623819
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016091623819
Tiivistelmä
Tässä työssä pyrittiin selvittämään optimaalista tapaa kalottikennorakenteiden kalottien liittämiseksi toisiinsa. Työssä keskityttiin erityisesti liitosten kestoikään niiden altistuessa toistuvalle kuormituksen vaihtelulle. Tutkimuksessa sivuttiin myös kysymystä, olisiko joitakin umpilevyrakenteita mahdollista korvata kalottikennorakenteilla ja siten vähentää rakenteen kokonaispainoa huomattavasti. Kalottikennorakenteiden kenties tärkein ominaisuus on niiden ylivertainen taivutuslujuus materiaalin määrään nähden.
Työ aloitettiin tutkimalla kirjallisuuskatsauksen kautta kalottikennorakenteiden pääominaisuuksia sekä valmistustapoja. Myös yleisimpien ohutlevytuotteiden liittämiseen käytettyjen metodien ominaisuuksia sekä kestävyyttä alettiin tutkia aluksi kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tutkittaviksi liitostavoiksi tutkimuksessa valikoituivat niitti-, liima-, hitsaus- sekä puristusliitos niiden monipuolisuuden sekä helppokäyttöisyyden vuoksi.
Kirjallisuuskatsauksesta saatuja tuloksia tuettiin ja laajennettiin tekemällä vielä fe-mallinnuksia kustakin liitostavasta ja niiden vaikutuksesta kalottiin. Fe-mallinnuksessa eri tavalla tuettuja kalottisegmenttejä kuormitettiin eri suunnista ja tutkittiin, miten eri liitosmuodot vaikuttavat rasituksen jakautumiseen kaloteissa. Mallinnuksista saadut suurimmat rasitukset laskukaavaan syöttämällä saatiin selville rakenteiden kestoikä.
Johtopäätöksenä voidaan todeta eri liitostapojen rasituksenkeston eroavan huomattavasti toisistaan. Myös kalottirakenteeseen kohdistuviin rasituksiin ja siten sen kestoikään oli liittämismuodolla erittäin suuri vaikutus, jokaisen liitostavan tuottaessa omanlaisensa rasitusjakauman kalottirakenteeseen. Rakenteita eri liitostavoin mallinnettaessa kävi myös ilmeiseksi rakenteen itsensä kestävän hyvin huonosti pystysuuntaista kuormitusta liitostavasta riippumatta. In this thesis an optimal way to joining periodic cellular metal sandwich structures was studied. Especially the durability of joints was closely examined when under repetitive load. The topic whether it could be feasible to replace solid structures with periodic cellular metal sandwich structures thus decreasing the overall weight was also briefly examined.
The thesis was started by examining the main properties and ways to manufacture periodic cellular metal sandwich structures. Also the features and durability of the most used joining methods in sheet industry were examined. This all was conducted via literature review. The joining methods to be studied were riveting, gluing, welding and crimp connection because of their versatility and ease of use.
The results that emerged from literature review were supported and expanded further through the fe-modeling each joint and its effect on the periodic cellular metal sandwich structure. In fe-modeling a load was applied to differentially constricted segments of periodic cellular metal sandwich structure to simulate chosen joining methods. Through these models was studied how different joining methods affect the distribution of stresses in above mentioned structures. With the maximum stresses of each model put in a formula the variation in life span of each model was then calculated.
In conclusion it can be easily said that the durability of different joining methods varies greatly as well as they do have a great impact on the life span of periodic cellular metal sandwich structures. Each joining method created a unique stress distribution pattern in studied structures. When modeling the structures with different joining methods it became also clear that the structure doesn’t withstand vertical load well at all, no matter the joining method
Työ aloitettiin tutkimalla kirjallisuuskatsauksen kautta kalottikennorakenteiden pääominaisuuksia sekä valmistustapoja. Myös yleisimpien ohutlevytuotteiden liittämiseen käytettyjen metodien ominaisuuksia sekä kestävyyttä alettiin tutkia aluksi kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tutkittaviksi liitostavoiksi tutkimuksessa valikoituivat niitti-, liima-, hitsaus- sekä puristusliitos niiden monipuolisuuden sekä helppokäyttöisyyden vuoksi.
Kirjallisuuskatsauksesta saatuja tuloksia tuettiin ja laajennettiin tekemällä vielä fe-mallinnuksia kustakin liitostavasta ja niiden vaikutuksesta kalottiin. Fe-mallinnuksessa eri tavalla tuettuja kalottisegmenttejä kuormitettiin eri suunnista ja tutkittiin, miten eri liitosmuodot vaikuttavat rasituksen jakautumiseen kaloteissa. Mallinnuksista saadut suurimmat rasitukset laskukaavaan syöttämällä saatiin selville rakenteiden kestoikä.
Johtopäätöksenä voidaan todeta eri liitostapojen rasituksenkeston eroavan huomattavasti toisistaan. Myös kalottirakenteeseen kohdistuviin rasituksiin ja siten sen kestoikään oli liittämismuodolla erittäin suuri vaikutus, jokaisen liitostavan tuottaessa omanlaisensa rasitusjakauman kalottirakenteeseen. Rakenteita eri liitostavoin mallinnettaessa kävi myös ilmeiseksi rakenteen itsensä kestävän hyvin huonosti pystysuuntaista kuormitusta liitostavasta riippumatta.
The thesis was started by examining the main properties and ways to manufacture periodic cellular metal sandwich structures. Also the features and durability of the most used joining methods in sheet industry were examined. This all was conducted via literature review. The joining methods to be studied were riveting, gluing, welding and crimp connection because of their versatility and ease of use.
The results that emerged from literature review were supported and expanded further through the fe-modeling each joint and its effect on the periodic cellular metal sandwich structure. In fe-modeling a load was applied to differentially constricted segments of periodic cellular metal sandwich structure to simulate chosen joining methods. Through these models was studied how different joining methods affect the distribution of stresses in above mentioned structures. With the maximum stresses of each model put in a formula the variation in life span of each model was then calculated.
In conclusion it can be easily said that the durability of different joining methods varies greatly as well as they do have a great impact on the life span of periodic cellular metal sandwich structures. Each joining method created a unique stress distribution pattern in studied structures. When modeling the structures with different joining methods it became also clear that the structure doesn’t withstand vertical load well at all, no matter the joining method