Paljetasaimen lujuuslaskenta ja väsymislujuuden tarkastelu

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli laatia paljetasaimien lujuuslaskentaohjelma, joka palauttaa yhdellä syötteellä kolmen eri standardin mukaiset mitoituslaskennan tulokset ja kertoo, että onko suunniteltu tuote standardin vaatimusten mukainen. Tavoitteena oli myös laatia kattava selvitys siitä, millaisille kuormitustapauksille paljetasain altistuu sisäisen paineen ja toistuvien siirtymien vaikutuksen seurauksena ja miten nämä kuormitustapaukset eri standardeissa käsitellään. Käsiteltävät standardit ovat eurooppalainen paljetasaimien tuotestandardi, amerikkalainen painelaitteiden standardi sekä paljetasaimien valmistajien yhdistyksen laskentaohje.

Rakenteellisesti työ jakautuu kahteen osaan. Ensimmäinen on kirjallisuuskatsaus, jossa käsitellään lyhyesti työn sisällön kannalta merkityksellistä aineistoa. Ensimmäinen osa kattaa katsauksen käsiteltäviin standardeihin ja niiden taustoihin. Tämän jälkeen kirjallisuustutkimus keskittyy lujuuslaskennan perusteoriaan ja materiaalioppiin. Syvemmin käsitellään toistuvan kuormituksen aiheuttamaa metallin väsymistä ilmiönä, väsymislaskennan perusperiaatteita, menetelmiä sekä käyttötapoja. Toisessa osuudessa tutkimusmetodina toimii tekninen laskenta ja tässä osiossa laaditaan Excel-pohjainen laskentaohjelma, joka palauttaa yhdellä syötteellä kolmen eri standardin lujuuslaskennan tulokset. Toisessa osuudessa tarkastellaan myös laskentaohjelman luotettavuutta vertailulaskentojen avulla. Laskentaohjelmalle suoritetaan myös herkkyystarkastelut.

Tutkimuksessa havaittiin, että standardien suunnittelua koskevat vaatimukset ovat varsin samankaltaisia. Tutkimuksen perusteella ei olisi erityisen vaikeaa täyttää tuotesuunnittelussa kaikkien käsiteltyjen standardien vaatimuksia paineenkeston ja stabiliteetin osalta. Tutkimuksessa havaittiin, että liikkeiden käsittely ja niiden yhdistäminen käsitellään standardeissa keskenään eri tavalla. Lujuuslaskentaohjelmaa laatiessa sovellettiin amerikkalaista paljetasaimien valmistajien yhdistyksen laskentaohjetta siten, että tämän väsymislaskennan luotettavuus nostettiin eurooppalaisen tuotestandardin tasolle.

The objective of this master’s thesis was to develop a strength calculation program for expansion joints that returns the results of design calculations according to three different standards with one input and tells whether the designed product is in conformance with the requirements of the standard. The aim was also to prepare a comprehensive study of the loadings that an expansion joint needs to be designed against, when exposed to internal pressure and repetitive displacement cycles. The standards covered in this thesis are the European standard for expansion joints, the American standard for pressure vessels and the design calculation of the Expansion Joint Manufacturer’s Association.

Structurally, the work is divided into two parts. The first part is a literature review, in which material relevant to the content of the thesis is briefly discussed. The first part provides an overview of the addressed standards and their backgrounds. After this, the literature review focuses on the basic theory of strength of materials. Fatigue caused by repetitive loading is discussed as a phenomenon, and the basic principles and methods of fatigue calculation are also portrayed. In the second part, the used research method is technical calculation, and in this section an Excel-based calculation program is developed, which retrieves the results of the design calculations of three different standards with one input. The second section also examines the reliability of the calculation program using benchmark calculations. A sensitivity analysis is also performed on the calculation program.

It was observed that the design requirements of the standards are very much alike. Based on the study, it would not be particularly difficult to meet the requirements of all the addressed standards in product design in terms of pressure resistance and stability. The study found that the handling of displacements is treated differently in the standards. While developing the calculation program, the design calculations of the Expansion Joint Manufacturer’s Association were applied in such a way that the reliability of fatigue calculation was increased to the level of the European product standard.