Kaivinkoneen toimilaitteen ylärungon väsymistarkastelu
Kärkkäinen, Akseli (2020)
Kandidaatintyö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020040912067
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020040912067
Tiivistelmä
Tämän kandidaatintyön tavoitteena on määrittää kohdeyritys Rotyx Oy:n kaivinkoneeseen liitettävän toimilaitteen teräksisen ylärunkorakenteen laskennallinen väsymiskestoikä elementtimenetelmää käyttäen. Laskenta suoritetaan numeerisesti FE-ohjelmiston avulla. Tavoitteena on myös löytää rakenteen väsymisen kriittiset pisteet ja tarpeen mukaan hyödyntää väsymistarkastelun tuloksia toimilaitteen mekaniikkasuunnittelun jatkamisessa, sekä mahdollisessa väsymiskestävyyden optimoimisessa.
Tässä kandidaatintyössä käytetään työn laajuuden rajoittamana yksinkertaistettua vakioamplitudista käyttöä kuvaavaa työkiertoa, jossa jännitykset vaihtelevat vain maksimista minimiin. Tulokset eivät ole tämän takia suoraan verrattavissa ylärunkorakenteen todelliseen väsymiskestävyyteen. Työssä käytetty työkierto voidaan kuitenkin olettaa todellista käyttöä rasittavammaksi. Ylärunkorakenteelle luotiin 3D-mallin pohjalta FE-laskentamalli, johon mallinnettiin 2D-verkoilla rakenteeseen suunnitellut hitsit ja verkotukset. FE-analyysin perusteella rakenteelle suoritettiin väsymistarkastelu rakenteellisen hot spot jännityksen ja tehollisen lovijännityksen (ENS) menetelmillä, jotta tuloksia voidaan vertailla keskenään tulosten varmentamiseksi. ENS-menetelmän väsymiskestoiän tulos oletettiin tarkemmaksi ja rakenteelle asetettu tavoitekestoikä saavutettiin.
Väsymistarkastelun tuloksien perusteella rakenteen väsymisominaisuuksien optimoiminen ei ole tarpeellista. Työssä kuitenkin todetaan, että hitsien rajaviivojen pyöristyssädettä suurentamalla pystytään jopa moninkertaistamaan hitsiliitoksien elinikä. Koska hitsiliitoksien rajaviivojen jouhevuuden merkitys on suuri, niin kandidaatintyössä ylärunkorakenteelle laskettujen väsymiskestoikäarvioiden toteutuminen vaatii suurta tarkkuutta kappaleen valmistusvaiheessa. The aim of this thesis is to define the fatigue durability of Rotyx Oy:s excavator actuators upper frame using element method. Thesis also aims to find the critical spots of the structure and use the results of fatigue analysis to optimize the fatigue durability of the upper frame. Calculations are done numerally using FE-program.
A simplified, constant amplitude work cycle with only maximum stress is used in this thesis. The results of the thesis cannot be therefore directly compared to the actual fatigue durability of the upper frame. The used work cycle can although be assumed to be more straining than the actual work cycle. A FE-calculation model was made based on a 3D-model. Welds and meshing were modelled to the model using 2D-meshes. Fatigue analysis was made based on the FE-analysis using structural hot spot stress – and effective notch stress (ENS) -method. Two methods were used to certify the results. As predicted, ENS-method gave more accurate results and the target durability was achieved.
Based on the results of the fatigue analysis, it is not necessary to further optimize the fatigue strength of the upper frame. However, thesis states that the fatigue durability of the welded joints can be multiplied by enlarging the radius of the welds notch root from the 1mm used. A great precision must be used in manufacturing the upper frame in order to achieve the fatigue durability estimation, as the smoothness of welds notch root plays such a huge role in the fatigue durability.
Tässä kandidaatintyössä käytetään työn laajuuden rajoittamana yksinkertaistettua vakioamplitudista käyttöä kuvaavaa työkiertoa, jossa jännitykset vaihtelevat vain maksimista minimiin. Tulokset eivät ole tämän takia suoraan verrattavissa ylärunkorakenteen todelliseen väsymiskestävyyteen. Työssä käytetty työkierto voidaan kuitenkin olettaa todellista käyttöä rasittavammaksi. Ylärunkorakenteelle luotiin 3D-mallin pohjalta FE-laskentamalli, johon mallinnettiin 2D-verkoilla rakenteeseen suunnitellut hitsit ja verkotukset. FE-analyysin perusteella rakenteelle suoritettiin väsymistarkastelu rakenteellisen hot spot jännityksen ja tehollisen lovijännityksen (ENS) menetelmillä, jotta tuloksia voidaan vertailla keskenään tulosten varmentamiseksi. ENS-menetelmän väsymiskestoiän tulos oletettiin tarkemmaksi ja rakenteelle asetettu tavoitekestoikä saavutettiin.
Väsymistarkastelun tuloksien perusteella rakenteen väsymisominaisuuksien optimoiminen ei ole tarpeellista. Työssä kuitenkin todetaan, että hitsien rajaviivojen pyöristyssädettä suurentamalla pystytään jopa moninkertaistamaan hitsiliitoksien elinikä. Koska hitsiliitoksien rajaviivojen jouhevuuden merkitys on suuri, niin kandidaatintyössä ylärunkorakenteelle laskettujen väsymiskestoikäarvioiden toteutuminen vaatii suurta tarkkuutta kappaleen valmistusvaiheessa.
A simplified, constant amplitude work cycle with only maximum stress is used in this thesis. The results of the thesis cannot be therefore directly compared to the actual fatigue durability of the upper frame. The used work cycle can although be assumed to be more straining than the actual work cycle. A FE-calculation model was made based on a 3D-model. Welds and meshing were modelled to the model using 2D-meshes. Fatigue analysis was made based on the FE-analysis using structural hot spot stress – and effective notch stress (ENS) -method. Two methods were used to certify the results. As predicted, ENS-method gave more accurate results and the target durability was achieved.
Based on the results of the fatigue analysis, it is not necessary to further optimize the fatigue strength of the upper frame. However, thesis states that the fatigue durability of the welded joints can be multiplied by enlarging the radius of the welds notch root from the 1mm used. A great precision must be used in manufacturing the upper frame in order to achieve the fatigue durability estimation, as the smoothness of welds notch root plays such a huge role in the fatigue durability.