Rakenteiden keventämisen DFMA-prosessi

Abstract

Tämän työn tarkoituksena on selvittää keveiden konerakenteiden suunnittelua. Työ etenee DFMA-prosessin avulla, mikä tarkoittaa tuotteen suunnittelua kokoonpanon ja valmistuksen kannalta. Tutkimuksen kohteena on kennorakentaminen yhdistettynä laserhitsaukseen. Työssä pyritään löytämään näiden edut sekä löytämään optimaalinen kennorakenne ominaistaajuuksien ja lommahduskokeiden avulla. Osana työtä on ollut osallistuminen Wärtsilän moottorin öljyaltaan uudelleensuunnitteluun. Suunnittelun tuloksena tuli aikaisempaa kevyempi rakenne sekä sen ominaistaajuudet nousivat halutulle tasolle. Rakenne toteutettiin laserhitsattuna ohutlevykennorakenteena.

Työssä tehtiin FEM-malleja kennolevyrakenteille ja yksittäiselle osakennorakenteelle. Näiden avulla saatiin tietoa rakenteiden käyttäytymisestä eri kuormitustilanteissa. FEM-laskennan paikkansapitävyys vahvistettiin vertaamalla laskennan tuloksia käytännön kokeiden tuloksiin. Aaltopeltikennolevyn mitoitus perustuu sille asetettuihin lujuusvaatimuksiin ja se on tulos levynpaksuuksien, materiaalin lujuuden, ytimen korkeuden ja sen sivun kulman muodostamasta yhtälöstä.

The aim of this thesis was to clarify the ways of designing and building lightweight structures from the DFMA-process point of view. The main research subject was in finding the main benefits of laser-welded sandwich structures (corrugated cores), and in the optimization of these structures by natural frequencies and buckling tests. One part of this work was to participate in redesigning an oil sump for Wärtsilä’s motor, which is mostly made from sandwich structures and welded together with laser. The result was that the new lightweight oil sump made from sandwich structures was almost 35 % lighter than the original, and natural frequencies increased to the target level.

FEM-models were used to investigate the behavior of sandwich plate structures and single-hat profile cores. Practical tests were also done for the latter, and the results were compared to FEM-models. The dimensioning of corrugated core sandwich panels is based on its strength requirements, and it is a result of an equation which is formed by the thickness and the strength of the material, as well as the height and the angle of the core.