Painekuormitetun teräslevyrakenteen lommahdusanalyysi
Honkanen, Lari (2022)
Kandidaatintyö
Honkanen, Lari
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042029737
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042029737
Tiivistelmä
Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia painekuormitetun teräslevyrakenteen lommahdusta eri levynpaksuuksilla elementtimenetelmällä suoritetun laskennan (engl. Finite Element Analysis, FEA) avulla. Tarkoituksena oli selvittää mahdollisuudet keventää rakennetta lommahduksen näkökulmasta. Laskenta suoritettiin lineaarisena ominaisarvotehtävänä FE-ohjelmiston avulla. Tuloksien kannalta tällöin ei huomioitu mahdollisia hitsauksesta tai taivutuksesta syntyneitä jäännösjännityksiä. Laskennassa ei otettu huomioon myöskään materiaalin epälineaarisuutta- tai geometriavirheitä. Nämä lineaarisen laskentatavan yksinkertaistukset otettiin huomioon tuloksia analysoitaessa.
Työ alkoi 3D-mallia muokkaamalla Femap-ohjelmalla. Geometriasta luotiin haluttu keski-pintamalli, joka verkotettiin lommahdustarkastelua varten sopivalla tarkkuudella. Elementtityyppinä käytettiin laattaelementtiä. Malliin asetettiin myös laskentaa varten tärkeät parametrit, kuten kuormitukset, reunaehdot ja materiaaliparametrit. Työssä tutkittiin lommahduksen ominaisarvoja varioitaessa alipaineistetun levyn paksuutta. Tutkittiin myös käyttöasennon 180 asteen muuttamisen vaikutusta lommahtamiseen. Lopuksi vertailtiin alipaineen ja levynpaksuuden muutoksien vaikutusta lommahduksen ominaisarvolukemiin.
FE-ohjelmiston lommahdusanalyysin tulokset koottiin Excel-taulukkoon. Taulukosta pystyttiin muodostamaan havainnollistavat kuvaajat rakenteen lommahduskäyttäytymisestä eri levynpaksuuksilla. Tuloksista ilmeni, että rakennetta on mahdollista keventää lommahdusnäkökulmasta. Huomattiin myös, että levynpaksuuden muutoksella oli merkittävämpi vaikutus lommahduksen ominaisarvoihin, kuin paineen arvon muutoksella. Objective of this bachelor’s thesis was to examine local buckling of pressure loaded sheet metal structure with finite element analysis (FEA). Research was done by varying the thickness of the sheet metal plate. The aim was to discover if it was possible to lighten the structure in an aspect of buckling. Analyses were conducted as a linear eigenvalue buckling analyses with FEA software. In linear analysis, potential residual stresses, caused by welding or forming, were not considered. In addition, material nonlinearity or geometrical imperfections were not considered. These simplifications of the linear eigenvalue buckling analysis were considered in the analysis of the results.
The research began with modifying the 3D-model with the Femap software. Mid-plate model was created from the geometry which was then meshed with appropriate density for the buckling analysis. Plate element was used as an element type for the model. After that all important parameters, such as loads, constraints and material parameters, were obtained for the model. In this thesis, eigenvalues of the linear analysis were examined when varying the thickness of the negatively pressurized metal plate. The impact to the eigenvalues, when changing the using position 180 degrees, was also examined. Lastly, the impact to the eigenvalues were compared, when altering the negative pressure and thickness of the metal plate.
The results of the buckling analysis were gathered to an Excel table. Demonstrative charts of the buckling in the structure with different sheet metal plate thicknesses could be formed from the Excel table data. It appeared from the results that, in an aspect of buckling, the structure can be lightened. Also, it was noticeable that change in thickness of the metal plate had greater affect to buckling than what change in pressure had.
Työ alkoi 3D-mallia muokkaamalla Femap-ohjelmalla. Geometriasta luotiin haluttu keski-pintamalli, joka verkotettiin lommahdustarkastelua varten sopivalla tarkkuudella. Elementtityyppinä käytettiin laattaelementtiä. Malliin asetettiin myös laskentaa varten tärkeät parametrit, kuten kuormitukset, reunaehdot ja materiaaliparametrit. Työssä tutkittiin lommahduksen ominaisarvoja varioitaessa alipaineistetun levyn paksuutta. Tutkittiin myös käyttöasennon 180 asteen muuttamisen vaikutusta lommahtamiseen. Lopuksi vertailtiin alipaineen ja levynpaksuuden muutoksien vaikutusta lommahduksen ominaisarvolukemiin.
FE-ohjelmiston lommahdusanalyysin tulokset koottiin Excel-taulukkoon. Taulukosta pystyttiin muodostamaan havainnollistavat kuvaajat rakenteen lommahduskäyttäytymisestä eri levynpaksuuksilla. Tuloksista ilmeni, että rakennetta on mahdollista keventää lommahdusnäkökulmasta. Huomattiin myös, että levynpaksuuden muutoksella oli merkittävämpi vaikutus lommahduksen ominaisarvoihin, kuin paineen arvon muutoksella.
The research began with modifying the 3D-model with the Femap software. Mid-plate model was created from the geometry which was then meshed with appropriate density for the buckling analysis. Plate element was used as an element type for the model. After that all important parameters, such as loads, constraints and material parameters, were obtained for the model. In this thesis, eigenvalues of the linear analysis were examined when varying the thickness of the negatively pressurized metal plate. The impact to the eigenvalues, when changing the using position 180 degrees, was also examined. Lastly, the impact to the eigenvalues were compared, when altering the negative pressure and thickness of the metal plate.
The results of the buckling analysis were gathered to an Excel table. Demonstrative charts of the buckling in the structure with different sheet metal plate thicknesses could be formed from the Excel table data. It appeared from the results that, in an aspect of buckling, the structure can be lightened. Also, it was noticeable that change in thickness of the metal plate had greater affect to buckling than what change in pressure had.