Parameters for calculation tool dimensioning a sheave in cranes rope system
Koskinen, Matti (2022)
Diplomityö
Koskinen, Matti
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022080552865
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022080552865
Tiivistelmä
The aim of this research was to study how contact pressure is distributed from a rope to a sheave, as well as to study how the stress is further distributed into the structure, especially the welds. Contact pressure was studied using finite element method in FEMAP/NASTRAN software. Stress distributions in the cross sections were studied using 2D finite element models and cut open 3D models. Fatigue was studied by comparing nominal stress method to effective notch stress method. Previous research suggests that the contact pressure should be constant along the groove. Principal stresses should be highest near hub-web connection.
The most problematic part of the research was connection between the rope and the sheave. As rope is difficult to model realistically, cylindrical model with low elastic modulus was used. Issue with rope is that it has very low bending resistance but high elastic modulus in tensile loading. By using low modulus of elasticity material model, deformations are large, but contact acts as it should. Contact pressure distribution in the curve was mostly constant, but the pressure had discontinuities in the groove. Discontinuities might be caused by stretching of the rope elements or elements in either body not being smooth. If discontinuities were filtered, contact pressure was in the same magnitude as equations from literature suggests. Von Mises stress was similar with finite element analysis as literature references.
Contact pressure and stress distribution result could be used to develop calculation tool according to SFS-EN-13001. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, kuinka pintapaine jakautuu köydestä köysipyörään, sekä tutkia kuinka jännitys leviää siitä pyörän rakenteeseen, varsinkin hitseihin. Pintapainetta tutkittiin elementtimenetelmällä FEMAP/NASTRAN ohjelmistolla. Jännitysjakaumia poikkileikkauksessa tutkittiin 2D-malleilla elementtimenetelmällä ja auki leikatuilla 3D-malleilla. Väsymistä tutkittiin vertaamalla nimellisen jännityksen menetelmää tehollisen lovijännityksen menetelmään. Aiempi tutkimus viittaa, että pintapaine olisi vakio uran pituussuunnassa. Pääjännitysten tulisi olla suurimpia napa-uuma liitoksessa.
Ongelmallisin osa tutkimusta oli kontakti köyden ja uran väillä. Koska köysi on vaikea mallintaa realistisesti, sylinterin muotoista mallia, jolla on matala kimmokerroin, käytettiin laskennassa. Ongelma johtuu köyden suuresta kimmokertoimesta vetosuunnassa, joka on matala taivutussuunnassa. Käyttämällä pientä kimmokerrointa siirtymät ovat suuria, mutta kontakti käyttäytyy realistisesti. Suurimmaksi osaksi pintapaine jakautui tasaisesti, mutta urassa oli epäjatkuvuuskohtia. Epäjatkuvuudet saattavat johtua köyden elementtien venymisestä, tai elementtien liian suuresta käyryydestä. Jos epäjatkuvuudet suodatetaan, pintapaineen arvo on samaa luokkaa kirjallisuuden ehdottamien arvojen kanssa. Von Mises jännitysjakauma vastaa kirjallisien lähteiden viittauksia.
Pintapaineen ja jännitysten jakaumia voitiin käyttää laskentatyökalun kehittämiseen standardin SFS-EN-13001 mukaisesti.
The most problematic part of the research was connection between the rope and the sheave. As rope is difficult to model realistically, cylindrical model with low elastic modulus was used. Issue with rope is that it has very low bending resistance but high elastic modulus in tensile loading. By using low modulus of elasticity material model, deformations are large, but contact acts as it should. Contact pressure distribution in the curve was mostly constant, but the pressure had discontinuities in the groove. Discontinuities might be caused by stretching of the rope elements or elements in either body not being smooth. If discontinuities were filtered, contact pressure was in the same magnitude as equations from literature suggests. Von Mises stress was similar with finite element analysis as literature references.
Contact pressure and stress distribution result could be used to develop calculation tool according to SFS-EN-13001.
Ongelmallisin osa tutkimusta oli kontakti köyden ja uran väillä. Koska köysi on vaikea mallintaa realistisesti, sylinterin muotoista mallia, jolla on matala kimmokerroin, käytettiin laskennassa. Ongelma johtuu köyden suuresta kimmokertoimesta vetosuunnassa, joka on matala taivutussuunnassa. Käyttämällä pientä kimmokerrointa siirtymät ovat suuria, mutta kontakti käyttäytyy realistisesti. Suurimmaksi osaksi pintapaine jakautui tasaisesti, mutta urassa oli epäjatkuvuuskohtia. Epäjatkuvuudet saattavat johtua köyden elementtien venymisestä, tai elementtien liian suuresta käyryydestä. Jos epäjatkuvuudet suodatetaan, pintapaineen arvo on samaa luokkaa kirjallisuuden ehdottamien arvojen kanssa. Von Mises jännitysjakauma vastaa kirjallisien lähteiden viittauksia.
Pintapaineen ja jännitysten jakaumia voitiin käyttää laskentatyökalun kehittämiseen standardin SFS-EN-13001 mukaisesti.