Structural analysis of a linear axis frame used in a turret punch press
Anttila, Atte (2022)
Diplomityö
Anttila, Atte
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022053141280
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022053141280
Tiivistelmä
The research topic of this thesis is the structural engineering of a welded steel structure used as a part of a turret punch press sheet positioning system. The objective is to find out the appropriate dimensional proportions for the linear axis frame to withstand the forces caused by the accelerations of the sheet movement. Determining factor is the maximum deflection of the frame and the resulting error in the sheet position at the punching center. In the literature research are presented the structural engineering theorems, which concern the three types of strain to which the frame structure is induced to: bending, shear and torsion. Formulas gathered from these theorems are then used for the deflection calculations. Resulting sheet movement at the punching center is assessed by a coordinate system transformation, where the vector components collected from the structural analysis are shifted from a local reference frame to a global coordinate system. Based on analytical calculations one frame candidate is selected for further analysis in FEM, which is used as a comparative method to examine the structural behaviour of the frame and to find out how the additional structural features effect the frame deformation. Results show that with the given load case, bending deflection is the dominant factor in the sheet displacement at the punching center, although the transverse displacement at the point of load doesn’t translate as such in the positioning error: As the frame deflects, the cross-section also rotates according to the deflection curve, which causes the sheet to move in opposite direction to the load at the punching center, and therefore the positioning error is observed mainly in the longitudinal direction of the frame. The tested bracing methods increase mainly the torsional stiffness of the frame, and don’t therefore have much effect on the positioning accuracy. According to results from FEM, the distortion of the frame cross-section due to asymmetrical force distribution isn’t a major issue even in an unbraced construction as the transverse and torsional load partly cancel each other out. Tämän työn tutkimusaiheena on levytyöskeskuksen levynpaikoitusjärjestelmän osana toimivan hitsatun teräsrakenteen mitoitus. Tavoitteena on löytää lineaariakseliston rungolle sopivat mittasuhteet kantamaan levyn paikoituksesta aiheutuvat kiihtyvyydet. Määrittävänä tekijänä mitoituksessa on rungon joustamisesta aiheutuva levyn paikoitusvirhe lävistyskeskiössä. Kirjallisuustutkimuksessa käydään läpi lujuusopin lausekkeet, jotka koskevat kolmea kuormitustyyppiä, joille runko altistuu: taivutus, leikkaus ja vääntö. Rungon siirtymät määritetään sen jälkeen kyseisiä lausekkeita soveltaen. Rungon siirtymien aiheuttamaa levyn paikan muutosta lävistyskeskiössä arvioidaan koordinaatistomuunnoksen avulla, jossa siirtymälaskelmista kerätyt vektorikomponentit siirretään paikallisesta koordinaatistosta globaaliin koordinaatistoon. Analyyttisiin laskelmiin perustuen valitaanyksi runko vaihtoehto, joka viedään FEM-ohjelmistoon yksityiskohtaisempaa tutkimusta varten. FEMiä käytetään sekä analyyttisten tulosten vertailukohtana, että määritettäessä rakenteeseen lisättävien piirteiden vaikutusta rungon siirtymiin. Tulokset osoittavat, että tutkimuksen kuormitustapauksessa rungon taipumalla on suurin vaikutus levyn siirtymään lävistyskeskiössä, vaikkei siirtymä kuormituspisteessä toistu sellaisenaan paikoitusvirheenä: Rungon joustaessa, sen poikkileikkaus myös kiertyy taipumakäyrän mukaan, joka aiheuttaa levyn referenssipisteessä kuormitussuuntaan nähden vastakkaissuuntaisen siirtymän ja siten paikoitusvirhe lävistyskeskiössä koostuu pääasiassa rungon pituussuuntaisesta komponentista. Rakenteessa testatut jäykisteratkaisut kasvattavat lähinnä vääntöjäykkyyttä, eivätkä siten vaikuta merkittävästi paikoitustarkkuuteen. Epäsymmetrisestä kuormituksesta aiheutuva poikkileikkauksen vääristymä ei FEMin tulosten perusteella ole vaikutukseltaan kovin merkittävä edes jäykistämättömässä rakenteessa, koska poikittaisvoima ja vääntö kompensoivat toistensa vaikutuksen osittain.