1/2017
[ www.hitsaus.net ]
15
Digitaalisen mallinnuksen avulla pystytään simuloimaan erilaisten ratkaisujen vaikutus- ta lopputuotteeseen. Tällaisten työkalujen merkitys on suuri erityisesti pitkän käyttöi- än ja korkean toiminnallisen ja rakenteelli- sen luotettavuuden hitsattujen rakenteiden väsymissuunnittelussa. Väsymislujuuden osoittaminen kokeellisesti rakennetasolla on aikaa vievää ja kallista, joten luotettavilla simulointityökaluilla voidaan parhaimmillaan sekä lyhentää suunnitteluaikaa että pienen- tää suunnittelukustannuksia.
Lujat teräkset tarjoavat merkittäviä etuja konepajateollisuudelle kevyempien ja kestä- vämpien rakenteiden kehitystyössä. Hitsat- tujen rakenteiden väsymislujuuteen vaikutta- vien tekijöiden ymmärtäminen on kuitenkin erityisen tärkeää uusien lujien terästen koh- dalla, sillä niiden käyttöön ja hitsattavuuteen liittyy myös haasteita. Jotta lujien terästen tarjoamat mahdollisuudet voidaan hyödyntää konepajateollisuudessa, tarvitaan lisää ym- märrystä näiden terästen hitsien ja niistä val- mistettujen rakenteiden väsymislujuudesta.
DIMECC MANU -ohjelmassa lujien teräs- ten käytettävyyttä sekä uusia hitsausmene-
Nopeutta tuotekehitysprosessiin digitaalisella väsymissimuloinnilla
Arto Vento, Jarkko Laine, Antti Raskinen, Timo Björk, Essi Huttu ja Mika Siren
Nopea tuotekehitysprosessi luo yritykselle kilpailuetua. Mitä nopeammin uusia kehittyneempiä tuotteita pystytään tuomaan markkinoille, sitä pa- remmassa asemassa yritys on suhteessa kilpailijoihin. Modernit digitaaliset simulointityökalut voivat nopeuttaa väsymiskriittisten rakenteiden suunnit- telu- ja tuotekehitysprosessia konepajateollisuudessa.
DIMECC MANU -ohjelmassa tehdyn tutkimus- ja kehitystyön tuloksena kehitettiin digitaalinen mallinnustyökalu Sandvik Mining and Construction Oy:n kaivoslastarin hitsatun puomirakenteen väsymislujuuden simulointiin.
telmiä ja hitsattujen osien väsymislujuutta tutkittiin Sandvik Mining and Constructionin kaivoskäyttöön suunnitellun lastarin puomi- rakenteessa. Lujan S700-rakenneteräksen, jonka myötölujuus on 700 MPa, käyttöönot- to uudessa puomirakenteessa mahdollistaa kevyemmän ja kestävämmän puomiraken- teen, mikä vähentää huomattavasti puomin painoa ja lisää sen kuormakapasiteettia.
Kokonaisuudessaan puomin painoa pys- tyttiin vähentämään 700 kg, joka on 25 % puomin kokonaismassasta. Uusi kevyempi ja kestävämpi rakenne mahdollistaa myös suurempien painokuormien nostamisen, ja samanaikaisesti kevyempi rakenne parantaa lastarin polttoainetaloutta. Uusi puomiraken- ne mahdollistaa lisäksi hitsattavien osien määrän vähentämisen ja robottihitsauksen osuuden kasvattamisen puomin valmistuk- sessa. Nämä tekijät vaikuttavat suoraan puomin valmistuskustannuksiin.
Projektin puitteissa Sandvik valmisti kol- me lastarin prototyyppipuomia täyden mit- takaavan kokeisiin, kuva 1. Kaksi puomia testattiin käyttöolosuhteissa kaivoskäytössä ja Sandvikin omalla testiradalla, ja kolmas toimitettiin täyden mittakaavan laboratorioko- keeseen Lappeenrannan teknillisen yliopis- ton Teräsrakenteiden laboratorioon.
Osana uuden puomirakenteen suunnit- telua kehitettiin myös digitaalinen simu- lointityökalu, jonka avulla lujista teräksistä hitsattujen osien väsymislujuutta voidaan analysoida. Simulointityökalu perustuu hitsin väsymislujuuden mallinnukseen. Kehitetyn puomirakenteen täyden mittakaavan väsy- mistestauksen yhteydessä kriittisille hitseille rakennettiin FEM-malli ja kehitettiin väsymis- säröjen analyysimalli. Mallien avulla pystyttiin simuloimaan lujista teräksistä hitsattujen ra- kenneosien mekaanisia ominaisuuksia, en- nen kaikkea väsymiskäyttäytymistä. Kehite- tyn FEM-mallin ennustamat murtumakohdat ja täyden mittakaavan väsymistestauksessa todetut vaurioitumiskohdat vastasivat hyvin toisiaan, kuva 2. Tämä osoitti, että kehitetyt digitaaliset väsymislujuuden simulointityö- kalut toimivat ja simulointityökalujen avulla saatavat tulokset vastaavat todellista käyt- täytymistä kuormitustilanteessa.
FEM-analyyseissä tyypillisesti käytettävää ideaalista hitsigeometrian jännitysjakaumaa verrattiin LUTissa todelliseen mitattuun pro- fiiliin tehollisen lovijännityksen menetelmällä (Effective Notch Stress, ENS). Analyysi tehtiin Antti Raskisen diplomityössä (Digitaalisen valmistuksen vaikutus hitsatun rakenteen vä- symiskestävyyteen, LUT 2015) puomin vah- vikelevyn yksityiskohdalle, kuva 3.
Kuvan 3 perusteella ideaaliselle ja todelli- selle hitsin rajaviivan geometrialle määritetyt mitoittavan kohdan jännitysten (maksimijän- nitykset) ENS-jakaumat poikkeavat toisistaan vain vähän. Tämä johtuu siitä, että ENS-me- netelmässä fiktiivinen hitsin rajaviivan pyö- Kuva 1. Lastarin robottihitsattua prototyyp-
pipuomia viimeistellään käsinhitsauksella Sandvik Mining and Constructionin Turun tehtaalla.
1/2017
[ www.hitsaus.net ]
16
Kuva 3. Rakennedetaljin (a) ideaaliseen (vas.) ja todelliseen (oik.) hitsigeometriaan perustu- va FEmalli, (b) vastaavat ENS-jakaumat ja (c) hitsin rajaviivan ENS-jakauma (sininen = ideaa- li, oranssi = mitattu) ja rakennedetaljin mitattu 3D-malli.
Kuva 2. Prototyyppipuomin FE-mallilla simuloidut jännitykset väsytyskokeessa (vas.) ja puo- min täyden mittakaavan väsytyskoejärjestely LUT Teräsrakenteiden laboratoriossa (oik.).
minaisuudet puolestaa lisäävät suomalaisen konepajateollisuuden kilpailukykyä kansain- välisillä markkinoilla.
Väsymislujuuteen vaikuttavien tekijöiden ja mekanismien ymmärtäminen ja niiden mal- lintaminen on erityisen tärkeää lujien terästen käyttöönoton ja kevyimpien konerakenteiden mahdollistamiseksi. Polttoainekustannusten nousun ja lisääntyneen ympäristötietoisuu- den vuoksi työkonevalmistajat pyrkivät ke- hittämään entistä kevyempiä koneita. Uu- det lujat teräslaadut mahdollistavat osaltaan näiden tavoitteiden saavuttamisen. Lujat te- räkset asettavat kuitenkin haasteita myös hitsausprosesseille. Jotta lujien terästen mahdollisuudet voidaan hyödyntää konepa- jateollisuudessa, tarvitaan digitaalisia työka- luja hitsattujen rakenteiden suunnitteluun ja niiden kuormituskäyttäytymisen, esimerkiksi väsymislujuuden mallintamiseen.
Yhteenveto
Digitaaliset väsymislujuuden simulointityö- kalut tarjoavat mahdollisuuden nopeuttaa merkittävästi yritysten tuotekehityssykliä, sa- malla säästäen rahaa ja nopeuttaen uusien tuotteiden lanseeraamista markkinoille. Li- säksi simulointi- ja mallinnustyökalujen avul- la eri tuotevariaatioita voidaan analysoida digitaalisesti tuotekehitysprosessin aikana.
Tämä mahdollistaa uusien entistä parempi- en tuoteominaisuuksien kehittämisen nope- ammin ja kustannustehokkaammin. Kehitet- tyjä työkaluja tullaan jatkossa hyödyntämään Sandvikin tuotekehitysprosessissa.
DIMECC MANU -ohjemassa kehitettyjen mallinnustyökalujen keskeisimmät hyödyt voidaan mitata ennen kaikkea lyhentynee- nä tuotekehitysaikana ja tarkempana suun- nitteluna. Kuten puomirakenteen esimerk- ki osoittaa, digitaalisten työkalujen avulla tehtävä tarkempi suunnittelu mahdollistaa materiaali- ja kustannussäästöt tuotteen val- mistusvaiheessa. Lisäksi tarkemmalla suun- nittelulla voidaan vaikuttaa tuotteen elinkaa- rikustannuksiin. Esimerkiksi uusi kevyempi puomirakenne vähentää koneen polttoaine- kustannuksia tai toisaalta parantaa koneen hyötykuormaa huomattavasti. Digitaalisten suunnittelutyökalujen avulla pystytään pa- rempaan hitsattujen osien väsymislujuuden suunnitteluun, mikä näkyy parempina ja kes- tävimpinä lopputuotteina. Kestävämmät tuot- teet mahdollistavat lopputuotteen turvallisen ja keskeytymättömän käytön ja pienentävät tuotteen elinkaarikustannuksia entisestään.
Arto Vento ja Jarkko Laine, Sandvik Mining and Construction Oy Antti Raskinen ja Timo Björk, LUT Teräsrakenteiden laboratorio Essi Huttu, Dimecc Oy Mika Sirén, VTT Oy ristys r = 1 mm on määräävä tekijä, jolloin
muilla geometrisillä tekijöillä ei ole niin suur- ta vaikutusta. Tulos on tärkeä ajatellen jatko- kehitystyötä paikallisen geometrian huomioi- miseksi aiempaa tarkemmin ja tätä kautta analyysien tarkkuuden parantamiseksi.
Johtopäätökset
Modernit digitaaliset mallinnus- ja simuloin- tityökalut, kuten kehitetty väsymislujuuden
simulointimenetelmä, tarjoavat mahdollisuu- den lyhentää tuotekehityksen läpimenoai- kaa. Mallinnus- ja simulointityökalujen avul- la voidaan digitaalisesti testata erilaisten ratkaisujen toimivuutta lopputuotteessa jo ennen prototyyppien valmistamista. Lisäksi mallinnustyökalujen avulla voidaan päästä osittain tai jopa kokonaan eroon paljon ai- kaa ja resursseja kuluttavista täydenmitta- kaavan rasituskokeista. Tämä mahdollistaa nopeammat tuotekehityssyklit ja uusien tuo- teominaisuuksien nopean testaamisen. Tuo- tekehitysprosessin nopeus ja uudet tuoteo-
