Siltanosturin teräsrakenteen suunnittelun avuksi luodun ohjelman jatkokehitys
Peräkylä, Tuomas (2006)
Tiivistelmä
Diplomityössä tehdään jatkokehitystä KCI Konecranes yrityksen siltanosturin laskentaohjelmaan. Ohjelman tärkeimmät jatkokehityskohteet kartoitettiin käyttäjäkyselyn avulla ja niistä valittiin toivotuimmat, sekä diplomityön lujuusopilliseen aihepiiriin parhaiten soveltuvat. Työhön valitut kaksi aihetta ovat koteloprofiilin kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan selvittäminen ja siltanosturin kahdeksanpyöräisenpäätykannattajan elementtimallin suunnittelu. Diplomityössä selvitetään jatkokehityskohteisiin liittyvä teoria, mutta varsinainen ohjelmointi jätetään työn ulkopuolelle.
Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti.
Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta. This master's thesis has been performed at KCI Konecranes Plc. The primary aim has been to further develop the in-house bridge crane calculation program. Program user comments have been used as the basis for setting specific development targets for the program. The two subjects chosen for this thesis work are: the strength analysis of a two-piece box profile's web and the finite element model of an eight-wheel end carriage used in bridge cranes. Development of the theory behind these problems is studied and included in this thesisbut the actual programming has been a parallel activity and is excluded from this thesis.
The two-piece web is used in large box profiles onthe side of the trolley traveling rail. The upper part of the web is made of thicker plate so that the compression stresses from the trolley wheel are reduced.Defining the compression stress distribution in the web is, therefore, the maintask when calculating the strength of a two-piece web. Books and standards havebeen used to identify the best methods for defining the membrane stress and stress concentrations in the web plates. The membrane stress in the web can be calculated either by using the 45-degree rule or by methods outlined in relevant standards. Stress concentrations in the web can be simply defined by multiplying the membrane stress by a stress concentration factor. Finite element models with different dimensions and boundary conditions were used to verify the analytic methods. Stresses calculated with analytic and finite element methods were very close to each other. The buckling and fatigue analysis of a two-piece web were preliminarily studied.
Eight-wheel end carriages are used in heavy bridge cranes so that wheel loads and compression stresses do not become too high. Finite element models were designed for two eight-wheel end carriage types:an end carriage with a hinged beam and one in which the girders are rigidly fixed. Existing bridge crane finite element models were modified to form new designalternatives. Creating new element models based on existing models reduces the required programming effort and the models can more easily be integrated with the other program calculation modules. Boundary conditions used in a crane's vibration analysis were also examined. According to the study there is no need to specify the vibration analysis's boundary conditions but the static analysis's boundary conditions still need more research.
Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti.
Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta.
The two-piece web is used in large box profiles onthe side of the trolley traveling rail. The upper part of the web is made of thicker plate so that the compression stresses from the trolley wheel are reduced.Defining the compression stress distribution in the web is, therefore, the maintask when calculating the strength of a two-piece web. Books and standards havebeen used to identify the best methods for defining the membrane stress and stress concentrations in the web plates. The membrane stress in the web can be calculated either by using the 45-degree rule or by methods outlined in relevant standards. Stress concentrations in the web can be simply defined by multiplying the membrane stress by a stress concentration factor. Finite element models with different dimensions and boundary conditions were used to verify the analytic methods. Stresses calculated with analytic and finite element methods were very close to each other. The buckling and fatigue analysis of a two-piece web were preliminarily studied.
Eight-wheel end carriages are used in heavy bridge cranes so that wheel loads and compression stresses do not become too high. Finite element models were designed for two eight-wheel end carriage types:an end carriage with a hinged beam and one in which the girders are rigidly fixed. Existing bridge crane finite element models were modified to form new designalternatives. Creating new element models based on existing models reduces the required programming effort and the models can more easily be integrated with the other program calculation modules. Boundary conditions used in a crane's vibration analysis were also examined. According to the study there is no need to specify the vibration analysis's boundary conditions but the static analysis's boundary conditions still need more research.