Konseptuell løsning av sandwichkonstruksjon for volumstrømdeler i høyfast aluminium

Abstract

I moderne høytrykkshydraulikk for store volumstrømmer er ofte komponentene produsert i støpestål. I dette tilfellet er det snakk om en volumstrømdeler til bruk i mobilhydraulikk som skogsmaskiner, traktorer eller andre landbruksmaskiner. Ved havari inne i volumstrømdeleren vil man måtte bytte ut hele komponenten. Generelt kan man si at de har høy vekt, høyt prisnivå ved havari og høye fraktkostnader. Ved å lage noe i aluminium vil man kunne spare store kostnader med tanke på frakt og servicekostnader. Hensikten med oppgaven er å lage en konseptuell løsning for en volumstrømdeler i høyfast aluminium, konstruert i sandwichmoduler som skal tåle høyt arbeidstrykk. Her er noen av hovedutfordringen å konstruere noe som tåler oljetrykket, da det skal limes, samt å lage delingene mellom moduler slik at funksjonen ikke blir nedsatt. Sammen med teorigrunnlag og bruk av grunnleggende produktutviklingsmetodikk som Pughs metode og Osborns metode har jeg kommet fra til en konseptuell løsning. En sammenfatting av eksisterende løsninger og oppgaver om emnet gjør at en får et overblikk for utviklingsbehovet. Via ledd som konseptgenerering og produktspesifisering kommer man frem til skisser av potensielle delingsløsninger. Utfra dette danner man seg et bilde av hvordan det hele skal se ut. En kombinasjon av utvendig og innvendig design og ved å sette funksjoner på modulene ser man fort konturene av en løsning. Ved bruk av 3D- tegning ser man fort hva som fungerer og ikke, og man kan begynne med prosesser som danner grunnlag for legeringsvalg og beregninger. Med programmet Solid Works er det laget 3D-tegninger av alle delene og satt de sammen til ferdig konsept. Ansys Workbench er brukt for å lage simulering av trykk for å analysere spenningsbildet og deformasjonen. I tillegg til dette har Solid Works et programtillegg med eget strømningssimuleringsverktøy. Dette gir gode indikasjoner på hvordan en væske oppfører seg i konstruksjonen. Ved å sammenligne resultater mellom håndberegninger og analyser, og diskutere prosessen for hvordan man kom frem til disse resultatene kan man konkludere. Mitt mastergradsarbeid har kommet frem til det er mulig å lage en volumstrømdeler i høyfast aluminium. SH-160 har følgende mål: Ytre mål (lengde*dybde*høyde) er på 250*200*100 mm, og vekt på 11,9 kg. Den er dimensjonert etter arbeidstrykk på 45 MPa. Maks bøyespenning fra håndberegning er 233,8 MPa med en sikkerhet mot flyt på 2,16. Den maksimale deformasjonen ut i fra håndberegninger er 0,05 mm. Den skal trykkstøpes i aluminium av typen 7075 T6.

In modern high-pressure hydraulics, large flow dividers are often manufactured in cast steel. In this particular case, we are talking about a flow divider made of cast steel for use in mobile hydraulics, for example tractors and other agricultural machinery. If there is damage inside of the flow divider, its often necessary to replace the entire component. Generally, one can say that they have a high weight, high prices on repairs and high shipping costs. By developing something in aluminum, shipping and service costs will be reduced substantially. The purpose of this project is to create a conceptual solution for a flow divider in high-strength aluminum, constructed in sandwich modules, which is able to withstand high working pressure. Some of the main challenge by doing this is to create something that can withstand oil pressure, even though the components are glued together, and to split the construction on the right places to avoid function loss inside the construction. Along with the theoretical foundation and the use of basic product development methodology, like the Pugh method and Osborn method, I have created a conceptual solution. A summarization of existing solutions on the subject gives an overview of the need for development. With concept generation and product specification one arrives at handmade sketches of potential solutions. Based on this you get a picture what the final product should look like. A combination of exterior and interior design and placement of function in each module, we see the outlines of a solution. With 3D drawing programs, you can see quickly what works and what doesn’t. By this stage, one can begin to analyze the basic shape of the construction and choose witch alloy to use, and start with calculations. With SolidWorks, 3D drawings of all the parts has been created and put together to see the finished concept. Ansys Workbench is used to make the simulations of the pressure distribution to analyze tension and deformation. In addition to this, SolidWorks has a plug-in program with its own flow simulation tools. This gives a good indication of how a liquid behaves in the construction. By comparing results between hand calculations and the analysis, and by discussing the process along the way, a conclusion can be made. My master thesis shows that it is possible to create a flow divider in high-strength aluminum. SH-160 has the following dimensions: External dimensions (length * depth * height) is 250 * 200 * 100 mm and the weight is 11.9 kg. It is designed for a working pressure of 45 MPa. Maximum bending stress from hand calculation is 233.8 MPa with a safety factor against yield of 2.16. The maximum deformation based on hand calculations is 0.05 mm. The production will be made with pressure casting, and it will be with the material aluminum 7075 T6.