Venymäliuskamittausten suunnittelu, toteutus ja hyödyntäminen perävaunurungon lujuusanalyysissä

Abstract

Rahdin kuljettamisesta pyritään nykypäivänä tekemään mahdollisimman taloudellista ja ympäristöystävällistä. Isossa osassa tämän tavoitteen saavuttamisessa on parantaa rahdin kuljetuksen polttoainetehokkuutta. Polttoainetehokkuuden parantamiseksi tarvitaan entistä kevyempiä ja optimoidumpia kuljetuskalustoratkaisuja, joiden avulla kuljetettava hyötykuorma saadaan maksimoitua. Kasvavat tarpeet rakenteiden optimoinnille vaativat ymmärrystä siitä, miten suunniteltavat rakenteet käyttäytyvät todellisissa käyttötilanteissa ja millaisia rasituksia niihin kohdistuu.

Tämän työn päämääränä oli kehittää pohja venymäliuskamittausten suunnittelulle, toteuttamiselle sekä mittausten tulosten hyödyntämiselle erilaisten raskaan kaluston päällirakenteiden lujuusanalyyseissä. Venymäliuskamittauksilla haluttiin määrittää rakenteiden todenmukainen käyttäytyminen ja siitä aiheutuvat rasitukset. Venymäliuskamittaukset suoritettiin 3-akseliseen puoliperävaunuun. Perävaunun epäsymmetrisen kuormakorin vaikutukset rungon jännityksiin eivät olleet ennalta tiedossa, joten työllä pyrittiin myös saamaan parempi käsitys kuormakorin vaikutuksista rakenteen rasituksiin.

Työ koostui teoriaosuudesta, mittausten suunnittelusta ja toteutuksesta sekä mittadatan käsittelystä ja analysoinnista. Mittaukset suunniteltiin siten, että mittaustapahtumat vastasivat perävaunun todellista käyttöä ja toivat esiin ääritilanteissa syntyviä rasituksia. Mittausten suunnittelun apuna käytettiin FE-analyysiä rungon kriittisten kohtien määrittämiseen. Mittaukset koostuivat monista lyhyemmistä dynaamisista mittaustilanteista, staattisesta mittauksesta kuormauksen jälkeen sekä pidemmästä ajosta maantiellä.

Työn tuloksista saatiin kattava kuva siitä, miten perävaunurunko käyttäytyy erilaisissa ajotilanteissa ja millaisia rasituksia rungossa esiintyy. Tuloksista havaittiin myös selvä ero kuormakorin epäsymmetrisyyden tuomista vaikutuksista, kun mitattuja jännityksiä vertailtiin rungon molemmin puolin. FE-analyysin tuloksia vertailtiin mitattuihin tuloksiin, sekä niiden välisiä eroja arvioitiin työn lopuksi. Lisäksi parannusehdotuksia FEA-malliin esitettiin mittaustulosten pohjalta.

Tätä diplomityötä voidaan käyttää ohjeistuksena venymäliuskamittausten suorittamiseen erilaisille raskaan kaluston päällirakenteille, sekä hyödyntää työn lopussa esiteltäville jatkotutkimuksille.

Nowadays, efforts are being made to make freight transport as economical and environmentally friendly as possible. A big part of achieving this goal is to improve the fuel efficiency of freight transport. In order to improve this, lighter and more optimized vehicle solutions are needed to maximize the payload that can be transported. The growing need for optimization of structures requires an in-depth understanding of how the designed structures behave in real life and the stresses to which they are subjected.

The aim of this work was to provide a framework for designing, implementing, and utilizing a strain gauge measurements for different superstructures in order to understand the behaviors of the structures and the resulting stresses for strength analysis. The strain gauge measurements were carried out on a 3-axle semi-trailer. The effects of the asymmetrical cargo box body structure of the trailer on the overall system were not known in advance, so this work also aimed to gain a better understanding of its effects.

The work consisted of several parts, which included theoretical background, measurement design, measurement implementation, measurement data processing and analysis, and comparison of the results between the results of FE analysis. The measurements were designed to reflect as closely as possible the actual use of the trailer and to highlight the stresses that occur under extreme conditions. The FE analysis was used during design process of the measurements to identify critical locations and at the end of the work they were compared with each other for static measurements. The measurements consisted of several different shorter dynamic measurement situations, a static measurement after loading and a longer drive on the road.

The successful design and implementation of the measurements provided a comprehensive picture of how the trailer frame behaves under different driving conditions. The results also showed a clear difference in the effects of the box body asymmetry when comparing the measured stresses on both sides of the frame. As expected, there were differences between the FE analysis and the measured results and the factors influencing these differences were discussed at the end of the work and suggestions for improvements to the FEA model were made.

This thesis can be used as a guideline for performing strain gauge measurements on different superstructures in the future, as well as a basis for further studies.