Trukin maston jäykistäminen hiilikuitukomposiitilla

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan, voidaanko hiilikuitukomposiitti (CFRP) latoilla jäykistää trukin mastoa. Työn tavoitteena on selvittää, kuinka paljon trukin yksittäisen mastovaiheen taipumia voidaan pienentää kiinnittämällä mastovaiheeseen CFRP lattoja. Työ on suoritettu käyttäen kirjallisuuskatsausta, analyyttistä ratkaisua ja FE-analyysiä. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi työlle oleellinen lujuusopillinen teoria, esitellään hiilikuitukomposiitit ja tehdään katsaus CFRP jäykistämiseen liittyviin artikkeleihin ja tutkimusraportteihin. FE-analyysit on tehty jäykistämättömälle ja jäykistetyille mastovaiheille. FE-malleissa mastovaiheet ovat jäykistetty käyttäen 3x20 mm ja 6x20 mm kokoisia IM, HM ja UHM CFRP lattoja. Kummallekin kokoluokalle materiaalin vahvuuksina on käytetty 250 GPa, 300 GPa, 360 GPa ja 450 GPa CFRP-materiaaleja. FE-analyysejä varten mastovaiheeseen vaikuttavat kuormitukset on selvitetty analyyttisesti hyödyntäen statiikan tasapainoyhtälöitä.

FE-analyysistä saatujen tulosten perusteella CFRP latoilla saatiin parannettua tutkittavan mastovaiheen jäykkyyttä 4,7 -14,4% materiaali paksuudesta ja vahvuudesta riippuen. 3x20 mm CFRP latoilla mastovaiheiden jäykkyyden parannus jäi alle 10% kaikilla CFRP vahvuuksilla ja osalla 6x20 mm latoilla päästiin yli 10%.

Vaikka 6x20mm UHM CFRP latalla saatu jäykkyyden parannus mastovaiheessa oli lupaava, ei niiden käyttö trukin mastoissa ole kannattavaa tämän hetkisten korkeiden materiaalikustannusten ja tuotannollisteknisten syiden takia.

This thesis is focused on investigating if carbon fiber reinforced polymers can be used to stiffen a forklift mast. The objective is to find out how much the bending of the individual mast stage can be reduced by fixing CFRP plates to the mast rails. The work has been done by literature review, analytical solving and FE-analysis. In the literature review the relevant strength of materials theories evaluated, carbon fiber reinforced polymers are introduced and research papers and articles related to CFRP reinforcing are rexamined. FE-analyses have been done to un-reinforced mast stage and to mast stages that are reinforced with 3x20 mm and 6x20 mm sixed IM, HM and UHM CFRP strips. For both sized strips, CFRP materials with modulus of elasticity of 250 GPa, 300 GPa, 360 GPa and 450 GPa are used. For FE-analyses the forces acting on the mast stage have been solved by using statics’ equilibrium equations.

According to the results obtained from the FE-analyses with the use of CFRP strips the mast stage stiffness improved from 4,7 to 14,4% depending on the strip thickness and modulus of elasticity. With 3x20 mm sized strips the stiffness improvements were under 10% with all CFRP materials and with 6x20 mm strips the improvement was over 10% with some CFRP materials.

Even though the stiffness improvement with 6x20 mm UHM CFRP strip was promising, the use of CFRP materials in forklift masts is not feasible due to the high cost of the materials and due to production technical reasons.