Liimaliitoksen numeerinen mitoitus kuormaa kantavaan rakenteeseen metsäteollisuuden työkoneessa

Abstract

Metsäkoneiden energian kulutuksen, sekä siitä seuraavien päästöjen vähentäminen on nykypäivänä selkeä tavoite teollisuudessa. Energian kulutusta, sekä päästöjä pystytään vähentämään esimerkiksi keventämällä koneissa käytettäviä kuormaa kantavia rakenteita. Kevyet rakenteet sisältävät usein liimaliitoksia. Tässä diplomityössä pyritään selvittämään, millaisella mitoitusprosessilla pystytään mitoittamaan liimaliitoksia kuormaa kantaviin rakenteisiin metsäkoneissa. Lisäksi työssä pyritään selvittämään, millaisia numeerisia työkaluja kyseisessä mitoitusprosessissa voidaan hyödyntää. Tutkimuskysymyksiin vastataan tekemällä laaja katsaus liimaliitoksien analysoimiseen ja mitoitukseen liittyvästä teoriasta, muodostamaan teorian perusteella ehdotus numeerisesta mitoitusprosessista ja lopuksi testaamaan luotua mitoitusprosessia numeerisesti esimerkkitapauksen avulla.

Liimaliitoksien analysoiminen voi olla haasteellista, etenkin jos liimaliitoksen vaurioitumista ja vauriosietoisuutta halutaan arvioida. Niitä analysoitaessa tulee ottaa huomioon muun muassa liimaliitokseen vaikuttavat ympäristötekijät, erilaiset kuormitukset ja kuormitustyypit, sekä joissakin tapauksissa murtumismekaniikka. Mitoituksessa käytettävän laskentamallin tulee pystyä huomioimaan kaikki liimaliitokseen merkittävästi vaikuttavat tekijät tarpeeksi tarkasti, sekä riittävän luotettavasti.

Liimaliitoksen mitoituksen tulee saavuttaa mitoitukselle asetetut vaatimukset. Mitoitusprosessin luotettavuuteen pystytään vaikuttamaan käytännössä jokaisella valinnalla, joka tehdään mitoitusprosessin aikana. Keskeistä on määrittää mitoituksessa käytettävä suunnittelufilosofia, sekä mitoitusvaatimukset. Mitoituksen luotettavuutta pystytään parantamaan asianmukaisilla validoinnilla ja verifioinnilla. Mitoitusprosessia, sekä siinä käytettäviä menetelmiä tulee validoida, testitasoilla koko mitoitusprosessin ajan. Mahdollisia epävarmuuksia voidaan ottaa huomioon käyttämällä turvamarginaaleja ja niiden avulla muodostettuja varmuuskertoimia.

Tämän diplomityön aikana tehtiin yksi mitoitusiteraatio esimerkkirakenteelle. Esimerkkimitoituksessa käytetiin elementtimenetelmällä (FEM) tehtyä jännitysanalyysiä, sekä murtumismekaanista Virtual Crack Closure Technique (VCCT) menetelmää. Jännitysanalyysillä pystyttiin arvioimaan liimaliitokseen syntyviä jännityksiä, sekä liimaliitoksen plastisoitumista. VCCT:llä pystyttiin mallintamaan liimasauman esisäröjen kriittisyyttä, sekä mahdollista etenemistä. Käytetyt menetelmät todettiin toimiviksi liimaliitoksen numeerista mitoittamista varten. Esimerkkimitoitusta varten muodostettiin teoriaselvityksen pohjalta ehdotus iteratiivisesta mitoitusprosessista, jota kuvataan diplomityössä tarkasti vaihe vaiheelta. Ehdotetun mitoitusprosessin päävaiheet ovat: esimitoitus, kuormitustilojen -, suunnittelutasojen - ja vauriotyypin määrittely, suunnittelupisteiden vaatimusten ja luotettavuustavoitteiden asettaminen, suunnittelufilosofian valinta, liitoksen käyttäytymisen ennustaminen kuormitustiloissa ja suunnittelupisteissä, sekä tulosten perusteella tehtävät iteraatiot, eli tarkentavat mitoitusvaiheet.

Käytettyjen numeeristen työkalujen ja ehdotetun mitoitusprosessin avulla saatiin esimerkkimitoituksen ensimmäinen iteraatiokierros valmiiksi. Ensimmäisen mitoitusiteraation perusteella analysoitu esimerkkirakenne ei täyttänyt sille asetettuja mitoitusvaatimuksia. Työssä esitetyn teorian pohjalta lopuksi ehdotettiin mahdollisia muutoksia, joita esimerkkiliitokseen voidaan tehdä seuraavaa iteraatiokierrosta varten.

The reducing of energy consumption and emissions caused by the operation of forestry machines is nowadays a significant topic of interest in industry. They can be reduced, for example by lowering the mass of the used load-bearing structures of the machinery. Lightweight structures typically involve adhesively bonded joints. This master’s thesis aims to define a design process that can be used to size adhesively bonded joints in load-bearing structures of forestry machines. In addition, the thesis aims to survey numerical tools that could be used in the determined sizing process. The research questions will be answered with a comprehensive theory review about the analysis of adhesively bonded joints and their design. The theory review will be used to form a proposal for the numerical sizing process which will be finally tested numerically with an example case.

The analysis of adhesively bonded joints may be challenging, especially if the damage evolution and damage tolerance of the adhesive joint will be evaluated. When considering fracture and damage properties of the adhesive, the analysis should cover for example environmental factors, different load cases and types and types of failure. The applied computational model should be able to consider all the factors that are significantly affecting adhesive bond with the desired accuracy and reliability.

Desing and sizing of the adhesive bond must achieve required reliability of the design. Reliability is practically affected by every choice made during the design process. It is important to determine suitable design criteria and design allowables for the design. The reliability of the design can be improved by proper validation and verification actions. The design methods should be validated at different test levels during the whole process. Possible uncertainties can be considered by safety margins and safety factors and statistical analysis.

One sizing iteration of the design process was made for an example structure during this master’s thesis. The methods used were stress analysis with Finite Element Method (FEM) and fracture mechanical analysis with Virtual Crack Closure Technique (VCCT). The stress analysis was successfully applied to evaluate stress distribution and yielding of the adhesive polymer. VCCT was able to model criticality of pre-defined cracks and their propagation in the adhesive layer. The methods used were found to be suitable for the numerical sizing purposes of the joint. An iterative sizing process was formed based on the theory review and it was described in a detailed manner. The proposed process has the following main steps: preliminary design, determination of load conditions, determining the design levels and determining the allowed fracture types and modes, setting requirements and reliability targets, selection of design philosophy, analyzing the behavior of the joint at the determined load conditions and environments and, finally, iterations based on the results.

The first iteration step of the sizing process was performed with the proposed sizing process and numerical methods. Based on the results of the analysis, the adhesively bonded joint defined by the pre-design did not fill the selected design criteria. Based on the theory presented in the work, necessary changes were proposed to improve the design during the following sizing iteration.