Disputation: Limfog slår svetsning i höghållfasta konstruktioner
19.12.2011
I sitt doktorsarbete utvecklade forskare Ahti Oinonen vid Aalto-universitetet planeringsverktyg för en konkurrent till svetsningen, det limförstärkta friktionsförbandet.
De nya typerna av höghållfasthetsstål gör att maskinernas vikt minskar, men det är svårt att svetsa de allt tunnare materialen.
- Då komponenternas väggtjocklek minskar behövs nya fogningsmetoder, konstaterar forskare Ahti Oinonen.
Komponenterna i lyftkranar och skogsmaskiner utsätts för ständigt varierande belastning. En liten spricka som uppkommer i en styv svetsfog blir snabbt större då maskinerna är i drift praktiskt taget dygnet runt.
Oinonens lösning på problemet med de kritiska förbanden är ett limförstärkt friktionsförband. Lim i stället för en svetsfog låter svagt, men är egentligen raka motsatsen. Limmet ger ett flexibelt förband, där belastningen fördelas jämnare än med ett svetsförband. Bultar gör förbandet säkert.
- Lim gör ett friktionsförband 2,5 gånger mer hållfast, berättar Oinonen.
Friktionsförbanden är bultförband som spänns åt med höghållfasta bultar. Deras funktion baserar sig på friktionen mellan delarna som fogats ihop. Om förbandet ger efter och belastningen överförs till bultarna uppstår så småningom skador.
- Man har forskat mycket i limförband, men knappt alls i kombinationen av höghållfasta bultar och limfogar, berättar Oinonen.
Oinonen fick impulsen till sin forskning av Gary Marquis, professor i hållfasthetslära vid Aalto-universitetet. Forskningen för doktorsavhandlingen inleddes under hans ledning vid Villmanstrands tekniska universitet 2007. Då Marquis blev professor vid Aalto-universitetet följde Oinonen med honom.
På tre år framskred forskningen från att utveckla en testmetod för friktionsförband till att bygga upp en matematisk modell som beskriver hur förbanden skadas. I sitt doktorsarbete utreder Oinonen också hur bultarna som förstärker limfogen bäst kan placeras.
Till en början undersökte Oinonen experimentellt limförbandens skjuvhållfasthet med olika ytor, lim och tryckbelastningar. Utifrån experimenten beräknade Oinonen de materialparametrar som används i det numeriska kalkylprogrammet på forskarens bildskärm.
Oinonen drar åt bultarna genom att klicka med musen. På skärmen sjunker bultens huvud litet längre in i metallen.
Så småningom ökas belastningen på det virtuella förbandet. Till slut ger limfogen med sig.
Oinonen zoomar in förbandets yta, där limfogen började ge efter.
- Förskjutningen är 0,7 millimeter.
Planerarna kan dimensionera limförbanden och simulera skadorna på dessa med hjälp av Oinonens modelleringsmetod.
Den nya fogningsmetoden används ännu inte inom maskinbyggnad och den finns inte med bland branschens standarder. Potential finns ändå särskilt för ändamål där materialutmattningen är en viktig faktor. Inom flygplansindustrin används limmade konstruktioner redan allmänt. Närmare forskningsdata om utmattningshållfastheten hos limmade friktionsförband blir snart tillgängliga, eftersom en av Oinonens kolleger forskar i ämnet. Intuitivt tror han att utmattningshållfastheten är utmärkt.
- Fogningsmetoden lämpar sig exempelvis för fästöronen till hydraulcylindrar i skogsmaskiner och lyftkranar. Man försöker göra konstruktionerna lättare också inom skeppsbyggnadsindustrin.
Forskningen finansierades av FIMECC, som bevakar maskinbyggnadsbranschens intressen i Finland.
Bildtext: Forskningen visar att en halvcirkel är den optimala placeringen av bultarna i ett excentriskt belastat friktionsförband.
DI Ahti Oinonens doktorsavhandling i hållfasthetslära ”Damage Modelling Procedure and Fastener Positioning Optimization of Adhesively Reinforced Frictional Interfaces” granskades vid Högskolan för ingenjörsvetenskaper vid Aalto-universitetet måndagen den 28 november 2011.
Mer information:
Forskare Ahti Oinonen
Aalto-universitetet, institutionen för tillämpad mekanik
ahti.oinonen [at] aalto [dot] fi
tfn 040 524 8654
Text: Petja Partanen/Tarinatakomo
