Tuulivoimalan siipien kuljetusvaunun runkorakenteen mitoitus

Abstract

Diplomityössä tutkitaan hitsatuista kotelopalkeista valmistettavaa kuljetusvaunua, jota käytetään tuulivoimalan siipien siirtelyyn satama- ja tehdasalueilla. Työssä tarkastellaan vaunun runkoa ja kehitetään siitä uusi versio, joka on nykyistä runkoa edullisempi valmistaa. Runko on 70 m pitkä ja muodostuu hitsatuista kotelopalkeista, jotka liitetään toisiinsa. Pitkän rungon oma massa aiheuttaa merkittävää rasitusta rakenteeseen. Rungon massa on myös yhteydessä valmistuskustannuksiin. Liian suuren taipuman estämiseksi rungon jäykkyyden on oltava suuri. Työn tavoitteena on löytää ratkaisu, jossa runko on riittävän jäykkä käyttötarkoitukseensa nähden, ja sen massa on mahdollisimman pieni. Runko halutaan valmistaa nykyistä lyhyemmistä osista, jotta vaunua voidaan kuljettaa osiin purettuna ilman tarvetta erikoiskuljetukselle. Lisäksi tehdään muita suunnitteluratkaisuja, joilla rungon valmistuksen kustannuksia saadaan pienennettyä. Työssä esitellään ensin nykyisen kuljetusvaunun rakenne ja käydään läpi tavat, joilla runkorakennetta pyritään parantamaan. Tämän jälkeen käydään läpi konedirektiivin vaatimukset koneiden valmistamiseen liittyen, ja kuinka nämä vaatimukset voidaan täyttää eri tilanteissa. Kuljetusvaunun rungon suunnittelun tapauksessa direktiivin esittelemiä yhdenmukaistettuja standardeja ei ole käytettävissä. Direktiivin edellyttämä vaatimustenmukaisuus joudutaan siis varmistamaan muilla tavoin. Tämän jälkeen työssä esitellään teräsrakenteiden suunnittelustandardien sarja Eurokoodi 3. Rakennusteollisuudessa käytettävä Eurokoodi 3 on tämän työn pääasiallinen lähdeaineisto. Eurokoodi 3 esittää kattavasti määräyksiä ja ohjeita teräsrakenteiden suunnitteluun. Näitä rakennusten suunnittelussa käytettäviä määräyksiä voidaan soveltaa myös koneenrakennukseen. Työssä keskitytään erityisesti hoikan poikkileikkauksen mitoituksessa huomioon otettaviin seikkoihin. Rungon osien poikkileikkauksien mitoituksen lisäksi käydään läpi Eurokoodi 3:n mukainen hitsien ja niveltappien mitoitus sekä rakenteen väsymistarkastelu. Vaunun runkorakenteen mitoitus voidaan tehdä suurelta osin Eurokoodin mukaisesti. Kaikkien rakenteen kohtien kestävyyttä ei pystytä kuitenkaan varmistamaan pelkästään sitä hyödyntäen. Standardin mukaisen mitoittamisen jälkeen muodostetaan rakenteesta simulointimalli ja tarkastellaan runkoa elementtimenetelmää hyödyntäen. Tässä työssä rakenteen simulointiin käytetään SolidWorksin Simulation-lisäosaa. Elementtimenetelmällä varmistetaan Eurokoodi 3 mukaisen staattisen mitoituksen oikeellisuus. Tämän lisäksi tarkastellaan ja mitoitetaan ne rakenteen kohdat, joita ei saada mitoitettua Eurokoodin avulla.

In this master’s thesis a transport trailer used in transfer of wind turbine blades is dis-cussed. The trailer is used in ports and factory sites. The length of the trailer is 70 m, and it is assembled from several welded box girders. The weight of the frame causes significant stresses in structure. The weight of the structure is also related to the price of frame. To avoid excess strain the stiffness of the frame must be high. The objective of this thesis is to find a solution where frame is stiff enough to withstand dif-ferent loads but also as light as possible. Aim is also to build frame from shorter segments than before. That way or all parts of trailer could be transported to customer or between oper-ating sites without need for oversize transport. In addition to these, other design solutions are studied to reduce the manufacturing cost of the trailer. In this thesis the current version of the trailer is first introduced. After that, different ways to improve the structure are discussed. Machinery Directive demands for machine construction are discussed. In case of designing transport trailer frame, there are no harmonised standards which could be used, so the demand for conformity must be achieved in other ways. Thereafter Eurocode 3 is discussed. Eurocode 3 is series of standards used in construction industry to design steel structures. Eurocode 3 is the main source material of this thesis. Eu-rocode 3 presents comprehensive number of demands and suggestions for design of steel structures. Despite being standard series for construction industry, Eurocode 3 can be utilised also in mechanical engineering. In this thesis the design of slender cross sections is gone through extensively. In addition to cross sections, the design of welds and joint pins are pre-sented. Additionally, fatigue of structure is discussed. Structural design of trailer frame can mostly be done by following Eurocode 3. Despite that, all parts of frame cannot be designed by just using the standards. After finding results for cross sections of parts of frame, simulation model of structure is built. This simulation model is inspected with finite element analysis (FEA). In this thesis, simulation is done with Solid-Works Simulation. Static calculations done according to Eurocode 3 are inspected with FEA. Also design of sections which cannot be designed by using Eurocode 3 are done by using FEA.