Siirrettävän henkilönostimen staattisten tasapainotilojen mallinnus ja simulointi

Abstract

Siirrettävät henkilönostimet ovat konedirektiivin 2006/42/EY alaisia nostolaitteita. Niiden myyminen EU:n talousalueella edellyttää direktiivin mukaisten suunnittelu- ja turvallisuusvaatimusten täyttymistä. Siirrettävien henkilönostimien suunnittelun ja turvallisuusvaatimusten lähtökohtana käytetään eurooppalaista standardia EN 280-1. Aiemmin Leguan Lifts:in siirrettävien henkilönostimien laskenta on toteutettu omalla MathCad-pohjaisella laskentatyökalulla ja on koettu tarpeelliseksi tehdä selvitys siitä, soveltuisiko jokin muu laskenta- ja simulointiohjelmisto paremmin siirrettävän henkilönostimen staattisen analyysin suorittamiseen ja vakavuuden määrittämiseen. Tämän työn tavoitteena on määrittää uusi siirrettävien henkilönostimien staattiseen analyysiin sekä vakavuuden määrittämiseen soveltuva laskentatyökalu tai simulointiohjelmisto.

Tässä työssä tutkitaan kirjallisuusselvityksen muodossa, miten parametrisesti liikerajoitetun mekanismin staattisia tasapainotiloja voidaan mallintaa ja analysoida simuloimalla. Kirjallisuusselvityksessä tarkastellaan myös millaisia laskennallisia vaatimuksia standardi EN 280-1 asettaa siirrettävien henkilönostimien laskentaan. Tutkimus vastaa kysymyksiin, miten parametrisesti liikerajoitetun mekanismin staattisia tasapainotiloja mallinnetaan ja analysoidaan simuloimalla. Tutkimuksessa selvitetään myös, miten monikappaledynamiikan simulointiohjelmisto (MBD-ohjelmisto) soveltuu siirrettävän henkilönostimen staattisen analyysin suorittamiseen ja vakavuuden määrittämiseen.

Työn soveltava osuus suoritetaan simuloimalla siirrettävän henkilönostimen mallia Siemens Simcenter 3D Motion -simulointiohjelmistossa. Soveltava osuus selvittää, miten simuloitava malli rakennetaan simulointiympäristöön ja miten voidaan hallita mallin muokattavuutta myös tilanteissa, joissa suunnittelu tapahtuu toisessa suunnitteluohjelmassa. Soveltavassa osuudessa havainnollistetaan myös, miten mallille määritetään standardin EN 280-1 mukaisia kuormituksia.

Kirjallisuusselvityksen tuloksena todetaan, että mekanismien staattisten tasapainotilojen mallintamiseksi tulee sen liike rajoittaa parametrisesti ja ratkaista kappaleiden tasapainoehdot näiden parametrien suhteen. Jotta näiden tasapainotilojen pohjalta voidaan mekanismille suorittaa systeemitason staattinen analyysi, täytyy mekanismin tasapainotiloja tarkastella mahdollisimman monessa uniikissa tilassa ja kuormitustapauksessa simuloimalla. Parametrisesti liikerajoitetun mekanismin simuloimiseksi tarvitaan mekanismin tilaa parametrisesti kuvaava malli sekä ratkaisija, joka määrittää mallin staattisen tasapainotilan. Käytetyn MBD-ohjelmiston tulokset onnistuttiin verifioimaan yksinkertaistetulla esimerkillä. Tämän lisäksi aiemman laskentatyökalun tuottamia tuloksia kyettiin varmentamaan MBD-ohjelmiston avulla siirrettävän henkilönostimen mallia simuloimalla eri vakavuutta tarkastelevissa testiasennoissa sekä standardin EN 280-1 lujuuden määrittämisen kuormitustapauksessa A.

Työn johtopäätöksenä on, että käytetty MBD-ohjelmisto Simcenter 3D Motion soveltuu hyvin siirrettävän henkilönostimen staattisen analyysin suorittamiseen sekä vakavuuden määrittämiseen.

Mobile elevating work platforms (MEWPs) are lifting devices subject to the provisions of the Machinery Directive 2006/42/EC, which means that their sale within the EU economic area requires compliance with the design and safety requirements of the directive. The European standard EN 280-1 is used as the basis for the design and safety requirements of MEWPs. Previously, the calculation of MEWPs at Leguan Lifts have been done using an in-house Mathcad-based calculation tool, and a need was identified to investigate whether another calculation and simulation environment would be better suited for performing the static analysis and stability determination of a MEWP. The objective of this thesis is to define a new calculation tool or simulation environment suitable for the static analysis and stability determination of MEWPs.

In this thesis, a literature review is conducted to investigate how the static equilibrium states of a parametrically motion-constrained mechanism can be modeled and analyzed through simulation. The review also examines the calculational requirements set by standard EN 280-1 for MEWPs. The research addresses how these static equilibrium states of a parametrically motion-constrained mechanism are modeled and analyzed via simulation, and whether a multibody dynamic (MBD) simulation software is suitable for determining the stability and performing a static analysis for a MEWP.

The applied section of the work is carried out by simulating a MEWP model in the Siemens Simcenter 3D Motion simulation environment. This section explains how the simulation model is constructed and how the modifiability of the model can be managed, including scenarios where the design occurs in another software. The applied section also demonstrates how loads according to the EN 280-1 standard are defined for the model.

As a result of the literature review, it is concluded that to model the static equilibrium states of mechanisms, their motion must be constrained parametrically, and the equilibrium conditions of the bodies must be solved with respect to these parameters. To perform a system-level static analysis for mechanisms based on these equilibrium states, the equilibrium states of the mechanism must be examined in as many unique states and loading cases as possible through simulation. To simulate a parametrically motion-constrained mechanism, a model that parametrically describes the state of the mechanism is required, along with a solver that determines the static equilibrium state of the model. The results of the MBD software used were successfully verified with a simplified example. Furthermore, the results produced by the previous calculation tool were verified using the MBD software by simulating a MEWP model in various test positions assessing stability, as well as in load case A for determining strength according to the EN 280-1 standard.

The conclusion of the work is that the MBD software Simcenter 3D Motion is well-suited for performing static analysis and determining the stability of mobile elevating work platforms.