Skadeanalys och omkonstruktion av HMS Belos A-ram

Konrad Lindblad Andr Widen

Examensarbete

Stockholm, Sverige 2012

Skadeanalys och omkonstruktion av HMS Belos A-ram

Konrad Lindblad Andr Widen

{Grna bild hr}

Examensarbete MMK 2012:13 MKN 067

KTH Industriell teknik och management

Maskinkonstruktion

SE-100 44 STOCKHOLM

I

Examensarbete MMK 2012:13 MKN 067

Skadeanalys och omkonstruktion av HMS Belos A-ram

Konrad Lindblad

Andr Widen

Godknt

2012-06-04

Examinator

Ulf Sellgren

Handledare

Ulf Sellgren

Uppdragsgivare

FMV

Kontaktperson

Robert Wigert

Sammanfattning

D en ubtsbesttning befinner sig i nd p havets botten kan Svenska marinen anvnda sig av

en s kallad ubtsrddningsfarkost, URF. Denna miniatyrubt dyker ner, dockar med den

ndstllda ubten och hmtar upp hela besttningen. Fartyget HMS Belos anvnder sig av en

speciell kran, belgen i aktern p fartyget, fr att lyfta ombord den 52 ton tunga ubtsrddnings-

farkosten som, vl ombord, dockar med fartygets tryckkammare. Kranen har vid inspektioner

visat sig ha problem med sprickor, frmst i flnsfrbanden mellan den verliggande balken och

de bda benen. En simulering av krafterna som uppstr i flnsfrbandet nr fartyget krnger i

hrd sj har utfrts och dessa krafter har sedan anvnts fr att utfra en FEM-analys av

frbandet. Resultaten visar p att A-ramen ej r konstruerad fr att klara de pfrestningar som

uppstr d fartyget befinner sig i hg sj. Den cykliska karaktren av pfrestningarna orsakar

utmattning i materialet varp sprickinitiering och propagering sker. Detta kan dock avhjlpas

med hjlp av en frhllandevis enkel omkonstruktion av flnsfrbandet. Omkonstruktionen, som

frstyvar flnsarna, bidrar till minskade spnningskoncentrationer kring de tidigare

problemomrdena och sprider istllet ut belastningen.

II

III

Master of Science Thesis MMK 2012:13 MKN 067

Damage analysis of the HMS Belos stern A-frame

Konrad Lindblad

Andr Widen

Approved

2012-06-04

Examiner

Ulf Sellgren

Supervisor

Ulf Sellgren

Commissioner

FMV

Contact person

Robert Wigert

Abstract

In order to rescue a distressed submarine crew, the Swedish Navy is able to use a deep

submergence rescue vehicle, DSRV. This mini submarine ascends, docks to the downed

submarine and picks up the whole crew. The submarine rescue ship HMS Belos has a special

crane located in the aft of the ship to lift the surfaced DSRV aboard, which then docks on to the

on board pressure chambers located below deck. During inspections the aforementioned crane

has shown to have problems with cracks in the structure, most of them located in the bolted joint

between the top part of the crane and the two leg parts. A simulation of the forces acting on the

structure in heavy sea condition was conducted; these values were then used as input values in a

Finite Element Method, FEM, analysis of the joint. Results show that the crane construction is

not made to withstand the stresses that occur when the ship is in high sea. The cyclic nature of

the stresses in the crane structure, due to the roll motion of the ship, causes material fatigue with

crack initiation and crack growth. This can be mended by a relatively easy modification of the

bolted joint. The modification, which stiffens the flange, contributes to lower stress

concentrations around the previous problem areas, spreading the load more evenly.

IV

V

FRORD

I detta kapitel tackas de personer bidragit med sina kunskaper till detta examensarbete.

Stort tack till vr kontaktperson p FMV, Robert Wigert, samt vr handledare Ulf Sellgren fr

stdet under hela examensarbetet. ven ett stort tack till Walter Heinrich p Inspecta, fr

vrdefull information rrande A-ramen och dess historik.

Tack till Vincent Karlsson och Markus Langenoja fr givande diskussioner och vrdefull input

under examensarbetet.

Vi vill ven tacka Ludwig stlund, som genomfrt sin vrnplikt p HMS Belos, fr snabba svar

rrande funderingar kring fartyget samt noggrann korrekturlsning av denna rapport.

Ett slutligt tack till den vnliga besttningen p HMS Belos som delade med sig av sina

erfarenheter och som tog sin tid att visa oss runt ombord och svara p de frgor vi hade.

Konrad Lindblad, Andr Widen

Stockholm, Juni 2012

VI

VII

NOMENKLATUR

Hr listas de beteckningar och frkortningar, som anvnds i detta examensarbete.

Beteckningar

Symbol Beskrivning

Rollvinkel []

Lutningsvinkel []

Pitchvinkel []

Frskjutning [mm]

Kompensationsvinkel []

Spnning [MPa]

Kompensationsvinkel []

E Elasticitetsmodul [GPa]

L Lngd [m]

m Massa [kg]

Frkortningar

CAD Computer Aided Design

DNV Det Norske Veritas

FEM Finite Element Method

FMV Frsvarets Materielverk

HMS Hans Majestts Skepp

MDS Multibody Dynamics Simulation

URF Ubtsrddningsfarkost

VIII

IX

INNEHLLSFRTECKNING

1 INTRODUKTION .............................................................................................. 1

1.1 BAKGRUND .................................................................................................... 1

1.2 SYFTE ............................................................................................................ 2

1.3 AVGRNSNINGAR ........................................................................................... 2

1.4 METOD .......................................................................................................... 2

2 REFERENSRAM ................................................................................................ 3

2.1 KONSTRUKTIONSANALYS ............................................................................... 3

2.2 SPRICKHISTORIK ............................................................................................ 4

2.3 SJGNG........................................................................................................ 5

2.4 CERTIFIERING UTFRD AV DNV ..................................................................... 6

3 UTFRANDE .................................................................................................... 7

3.1 CAD-MODELLERING ...................................................................................... 7

3.2 DYNAMISK SIMULERING ................................................................................. 8

3.3 FEM-MODELLERING..................................................................................... 18

3.4 OMKONSTRUKTION ...................................................................................... 26

3.5 KOSTNADSKALKYL ...................................................................................... 31

4 VERIFIERING.................................................................................................. 33

4.1 SIMULERINGSMODELL .................................................................................. 33

5 DISKUSSION OCH SLUTSATS ..................................................................... 45

5.1 DISKUSSION ................................................................................................. 45

5.2 SLUTSATS .................................................................................................... 45

6 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE ................................. 47

6.1 REKOMMENDATIONER .................................................................................. 47

6.2 FRAMTIDA ARBETE ....................................................................................... 47

7 REFERENSER.................................................................................................. 49

BILAGA A: SIMULERADE KRAFTER P A-RAMEN........................................

BILAGA B: RITNININGSUNDERLAG .................................................................

X

1

1 INTRODUKTION

Detta kapitel beskriver bakgrund, syfte, avgrnsning och metod fr det utfrda examensarbetet.

1.1 Bakgrund

Fr att kunna rdda ubtsbesttningar i nd anvnder svenska flottan ubtsbrgningsfartyget

HMS Belos (A214) som kan undstta och hmta upp hela besttningen med hjlp av svenska

ubtsrddningsfarkosten URF eller brittiska LR5. En livrddningsaktion gr till s att

HMS Belos anlnder till olycksplatsen med en av ubtsrddningsfarkosterna ombord, denna

sjstts sedan med hjlp av en kran p akterdck. Ubtsrddningsfarkosten dockar med den

ndstllda ubten varvid tryckutjmning sker och besttningen frflyttas till ubtsrddnings-

farkosten. Farkosten stiger upp till ytan och en bogserlina kopplas p som drar farkosten mot

HMS Belos akterkran. D farkosten befinner sig inom rckhll fr akterkranen kopplas

akterkranens vajer p och farkosten lyfts ur vattnet. Farkosten hissas upp till ndlge och lses

fast i en svngningsdmpad greppklo som frhindrar att farkosten kommer i svngning och

skadas mot kranen. Vidare flls kranen frver varvid farkosten snks och dockning mot

fartygets tryckkammare sker. Detta fr att besttningen skall kunna f en sker tryckutjmning,

ngot som kan behva vara upp till flera dagar fr att frhindra dykarsjuka.

Akterkranen r tillverkad av brittiska Caley Ocean Systems, ett vlknt fretag inom

offshorebranschen. Kranen bygger p en konstruktion dr vinschen r ledad p verliggaren, se

Figur 1. Fr att motverka de lngsgende svngningar som vinschen utstts fr vid sjgng finns

fyra passiva hydrauliska dmpare. Vid rutinkontroller av akterkranen har flertalet sprickor i den

s kallade A-ramen uppdagats.

Figur 1. vergripande bild av akterkranen [1].

2

1.2 Syfte

Syftet med examensarbetet r att fr FMVs rkning underska vilka typer av belastningar som

A-ramen utstts fr samt analysera skadorna och ge svar p de rimligaste orsakerna till dessa.

ven lnsamheten i att fortstta laga och anvnda den befintliga konstruktionen, i jmfrelse

med att modifiera konstruktionen alternativt anskaffa en ny lsning, kommer granskas.

Resultatet av arbetet kommer till viss mn ligga till grund fr beslutet angende huruvida FMV

vljer att fortg med rendet.

1.3 Avgrnsningar

Simuleringar av de lastfall som anses kritiska kommer ligga till grund fr analysen av de krafter som pverkar A-ramen.

Fartygets skrov r ngot flexibelt, men fr att frenkla datormodellerna antags skrovet runt aktern vara stelt d inga uppgifter om skrovets styvhet finns tillgngliga.

Vid montering av A-ramen finns risk att diverse passningsfel frekommer, men d det inte finns ngra uppgifter om passningsfel under installationen frsummas dessa.

Vid hrd sj kan kraftiga vindar frekomma. Dess inverkan p konstruktionen anses dock vara liten i frhllande till de vriga pfrestningarna och kommer drmed ej tas i

beaktning.

ven de vibrationer som uppkommer i skrovet frn dieselmotorer frsummas.

P grund av oknd materialdata antas konstruktionen best av allmnt konstruktionsstl.

1.4 Metod

Fr att ta reda p de dynamiska krafter som uppstr d fartyget krnger modelleras kranen efter

givna ritningar i CAD-programmet Autodesk Inventor Professional 2012. Modellen exporteras

sedan i formatet Parasolid Binary version 18 och importeras till MDS-programmet

MSC Software MD Adams 2012 dr de dynamiska krafterna som uppstr i alla kritiska punkter

fs via simulering. Spnningarna som uppstr i A-ramen d fartyget krnger fs genom att

anvnda de simulerade dynamiska krafterna, tillsammans med den skapade CAD-modellen, i

FEM-programmet Autodesk Simulation Multiphysics 2012. Spnningskoncentrationernas lgen

undersks fr eventuell korrelation till befintliga sprickor i A-ramen. Simulering av

krankonstruktionens egenfrekvens genomfrs i FEM-programmet ANSYS13.0.

3

2 REFERENSRAM

Detta kapitel presenterar den teoretiska referensramen som ligger till grund fr den utfrda

utvrderingen av A-ramens konstruktion.

2.1 Konstruktionsanalys

Kranen bestr av en verliggande balk och tv ben monterade p var sin fot med en hydraul-

cylinder per ben. En hydraulisk vinsch hnger ledad med hjlp av glor monterade i den

verliggande balken. Den verliggande balken r monterad p de bda benen med flnsfrband

fr respektive ben. Flnsarna bestr av tv 40 mm tjocka stlpltar med 28 stycken M36-skruvar

monterade med 10 cm lnga hylsor.

2.1.1 Material

Ur de tillgngliga ritningsunderlagen framgr ej vilket material respektive komponenter r

tillverkade av, drmed saknas viktiga materialdata s som slagseghet, strckgrns och brottgrns.

ven i dokumentationer gllande tidigare reparationer framgr endast att A-ramen r tillverkat

av ett kolstl och information angende stlkvalitet saknas. Vid samtal med Walter Heinrich p

Inspecta kan stlets strckgrns antas vara mellan 235-355 MPa, dock mer troligt i det lgre

spnningsomrdet 235 till 275 MPa.

2.1.2 Lastfall

Fr att analysera de olika krafter konstruktionen utstts fr och dess inverkan vljs tre lastfall

som anses signifikanta. Dessa r fljande:

Sjhvning av fartyget under hg sj med kranen inflld. Detta lastfall analyseras fr att se hur pass hga spnningarna blir i konstruktionen d fartyget vistas i hrd sj.

Endast sjsttning av URF. Fr att f en klar bild av hur konstruktionen belastas under sjsttning av den 52 ton tunga ubtsrddningsfarkosten analyseras ven detta

lastscenario. Vgrrelser tas ej i beaktning i detta fall.

Osynkroniserade hydraulcylindrar. D det finns risk fr att hydraulcylindrarna ej verkar synkront undersks hur konstruktionen klarar av ett extremfall av detta.

2.1.3 Freskrifter

Tidigare lg alla freskrifter gllande sjfartsomrdet hos Sjfartsverket. Vid nybildandet av den

svenska myndigheten Transportstyrelsen 1 januari 2009 flyttades dessa freskrifter tillsammans

med freskrifterna inom jrnvg, vg och luftfart till Transportstyrelsens ansvar.

Den freskrift som i dagslget anvnds fr lyftanordningar p fartyg r sjfartsverkets

kungrelse om lyftinrttningar p fartyg nr 9. Denna freskrift r utgiven 17 maj 1973 och br ej

anvndas fr nykonstruktion av kranar d regelverket r mycket inaktuellt och hnvisar till

standarder som utgick p 70-talet.

4

Fr militra fartyg har regelverket Regler fr militr sjfart, RMS, [2] framtagits av

Frsvarsakten. Standarden r uppdelad i tio delar. Delen som r relevant fr detta examensarbete

r RMS-F (Fartyg och deras utrustning) del 3.7 Lyftdon. RMS hnvisar till tillmpbara

standarder frn till exempel Det Norske Veritas, DNV, och SS-EN (Europeisk Norm).

2.2 Sprickhistorik

Infr samtliga dykningar och sjsttningar av Ubtsrddningsfarkosten utfrs en

okulrbesiktning av bde URF och A-ram. Tidigare har tecken p rost upptckts p A-ramens

styrbord ben i form av misstnkta rostrinningar. Vid rsversikten 2011 visade det sig att

sprickor frekom vid benets kn [3]; detta tgrdades genom att sprickorna slipades ur och

svetsreparerades. Fretaget Inspecta utfrde 2011 en mer genomgende inspektion av A-ramen

[4]. Magnetpulverprovning utfrdes p benen samt p verliggaren. Metoden anvnds fr att

indikera defekter som r lokaliserade p, eller nra, ytan. Provningen indikerade flertalet sprickor

p bde vre och undre flnsarna, en typisk spricka visas i Figur 2 nedan. ven grundlggande

svetsbrister i bda benen samt avskjuvade skruvar i verliggarens infstningar upptcktes. Enligt

marinbasen har ven ett antal skruvar bytts ut tidigare.

Figur 2. Spricka p A-ramsverdel.

Inspektion av undre flnsarna visar p 3 mm lnga sprickor kring fem av de tta hrnen, babords

flns innehller ven en 40 mm lng spricka en bit in frn kanten, se Figur 3. ven de vre

flnsarna innehller sprickor, tv 3 mm lnga sprickor babords samt tta 30-60 mm lnga

sprickor styrbords. Enligt dokumentationen r dessa belgna mellan hlen och flnsens inre

urtagning.

5

Figur 3. Spricka p undre flnsen.

D sprickorna i flnsarna var s pass mnga ansgs det lmpligast att byta ut de fyra flnsarna

fr att terstlla A-ramens funktionalitet. De nya flnsarna frsgs med ett 500 mm kvadratiskt

hl med hrnradier p 50 mm. Inspecta rekommenderade ven att skruvfrbandet frsgs med

hylsor fr att minska frspnningens knslighet fr deformation.

2.3 Sjgng

Under sjgng utstts ett fartyg fr tre huvudrotationer, roll, pitch och yaw, se Figur 4 nedan.

Med roll menas fartygets rotationsrrelse kring fartygets lngdriktning, z-axeln, d ingen

information av var HMS Belos rollcentrum r belget antags rollcentrummet ligga i linje med

vattenytan. Pitchrotationen i sin tur r fartygets rotation kring vattenytan lngsmed fartygets

breddriktning, x-axel, ven positionen fr pitchcentrumet r oknt och antags vara placerad i

fartygets mitt. Yaw, sker plant med vattenytan kring y-axeln.

Figur 4. De tre rotationsriktningarna ett fartyg utstts fr under sjgng.

6

2.4 Certifiering utfrd av DNV

I dokument ver certifieringen av hanteringssystemet fr URF frn DNV [5] framkommer under

vilka omstndigheter kranen fr brukas, s som maximalt tillten sjgng, tillten belastning

samt maximal vghjd. A-ramen r, enligt uppgifter frn Caley, dimensionerad fr en statisk last

p 97 ton, dock finns ej ngot berkningsunderlag fr detta och ingen skerstllning av denna

last r utfrd av DNV. I certifieringen r A-ramen konstruerad att utst en maximal belastning p

55 ton, ven detta ej verifierat av DNV.

De specifikationer som frekommer rrande HMS Belos sjgng r den maximalt tilltna roll-

och pitchvinklarna, dess maximala tidsperioder samt den maximalt tilltna vghjden. Dessa

kriterier presenteras i punktform nedan.

Maximal rollvinkel:

Maximal rollperiod: 9 s

Maximal pitchvinkel:

Maximal pitchperiod: 13 s

Maximalt tillten vghjd: 2.5 m

7

3 UTFRANDE

Detta kapitel beskriver examensarbetets utfrande frn modellering till resultat samt

omkonstruktion av A-ramen.

3.1 CAD-modellering

Som underlag fr CAD-modelleringen anvnds tvdimensionella detaljritningar tillhandahllna

av FMV. Detaljritningarna r i formatet .DWG och programmet Autodesk AutoCAD 2011

anvnds fr att granska dessa. CAD-modellen av vinschdelen, vagga och pivram, r frenklad

d endast den belastning som vaggan utstter resterande konstruktion fr, i form av statisk vikt

och masstrghet, r av intresse. ven hydraulcylindrarna r frenklade i modellen, d eventuella

krafter i dessa ej r av intresse. En verblick av modellen kan ses nedan, i Figur 5.

Figur 5. verblick av CAD-modell.

verliggare

Vagga

Pivram

Hydraulcylinder

Ben

Fot

Kn

8

Interna geometrier, s som livavstyvningar i ben och verliggande balk, inkluderas i modellen.

Detta fr att styvhet, vikt och masstrghet skall vara korrekt under simuleringarna. Ett exempel

p livavstyvningar kan ses i Figur 6.

Figur 6. Livavstyvningar i ben.

Materialet p de ingende delarna anstts till stl med densiteten 7850 kg/m3 och respektive

delars massa mts upp och presenteras i Tabell 1 nedan. Vaggans massa r oknd och uppskattas

till ca 10 ton.

Tabell 1. Delarnas massor

Del Ben Fot Pivram Vagga verliggare

Massa [kg] 10 432 8 151 1 022 10 000 5 300

3.2 Dynamisk simulering

CAD-modellen importeras i programmet Adams View, ett verktyg som medfr att bde

dynamiska och statiska krafter kan simuleras. Tv externa geometrier i form av roll- respektive

pitchplatta importeras ven fr att simulera kranens rrelse p fartyget i sjgng. En verskdlig

bild av den importerade modellen i Adams kan ses i Figur 7.

9

Figur 7. verskdlig bild av den frenklade geometrin i Adams.

3.2.1 Konfigurering

Materialdata, rrelser och relationer delar emellan anges i programmet fr korrekt simulering av

krafterna i systemet.

3.2.1.1 Materialdata

D A-ramens materialspecifikation r oknd anvnds materialdata fr ett stl med relativt lg

hllfasthet. Samtliga komponenter i konstruktionen antas best av ett och samma material, ett

obehandlat kolstl med beteckningen 14131200 [6]. Det antagna stlets materialdata r enligt Tabell 2 nedan. Adams berknar automatiskt ut massa, masscentrum och masstrghet utifrn

CAD-modellen och ansatta materialdata.

Tabell 2. Materialdata fr kolstl 14131200.

Material Densitet [kg/m3] E-modul [GPa] Possions tal b [Mpa] s[Mpa]

Kolstl 14131200 7 850 208 0,3 390 240

D ubtsrddningsfarkosten och vaggan r frenklade erhlls ej korrekt massa automatiskt, detta

korrigeras dock i efterhand. Vidare frsummas de komponenter vars massa ej utgr ngon

pfrestning p A-ramen genom att de anstts till 10-9

. Se Tabell 3 fr de modifierade massorna.

10

Tabell 3. Korrigerade massor

Del Fot Pitchplatta Rollplatta Hydraulcylindrar URF Vagga

Massa [kg] 10-9

10-9

10-9

10-9

52 000 10 000

3.2.1.2 Relationer

Interaktionen mellan babords ben och fot modelleras med en rotationsled kring x-axeln. Foten i

sin tur fixeras mot rollplattan. P samma stt modelleras kontaktpunkten mellan styrbords ben

och fot. Rollplattan fsts mot pitchplattan med en rotationsled kring z-axeln och pitchplattan

tillts rotera kring x-axeln i origo.

Kontaktpunkterna mellan verliggaren och benen modelleras med var sin bussning, detta

frhindrar att systemet blir verbestmt d bussningarna tillter viss deformation. Bussningarnas

rotations- och translationsstyvheter anstts lika med elasticitetsmodulen fr det antagna stlet.

Lederna mellan hydraulcylindrarna och benen samt mellan hydraulcylindrarna och ftterna

anstts till sfriska leder d dessa ej kan ta upp ngra moment utan endast reaktionskrafter.

Mellan de ingende delarna i hydraulcylindrarna, kolven och cylindern, anstts en translaterande

rrelse som ven tillts rotera.

Vaggan monteras mot verliggaren via en bussning i vardera lastgla. Fr att frhindra

translaterande rrelser stts ven dess translationsstyvheter till stlets elasticitetsmodul. Vaggans

rotationsrrelse dmpas med en antagen dmpningskoefficient i x-led p 50 kNms/grad fr att

frhindra att vaggan och ubtsrddningsfarkosten kommer i sjlvsvngning.

Den ledade pivramen, vars funktion r att dmpa ut ubtsrddningsfarkostens rrelse som

uppkommer p grund av rollrrelsen, r monterad mot vaggan med en bussning. Bussningens

styvhet stts lika med elasticitetsmodulen fr stl i alla translationsriktningar samt dess rotation

kring x- och y-axeln fr att endast tillta rotation kring z-axeln. Ubtsrddningsfarkosten i sin tur

stts fast inspnd mot pivramen. Fr att pivramen ej skall kollidera med vaggan under sjgng

anstts en rotations-dmpningskoefficient i z-led p 50 kNms/grad.

3.2.1.3 Rrelser

De rotationsrrelser som uppkommer i pitch- och rollcentrumen av vgrrelserna frenklas som

en sinusfunktion i vardera rotationsled

(1)

dr rotationernas amplituder, , ges av pitch- och rollvinklarna och samt av

(2)

frekvensen fs som

(3)

11

dr r svngningstiden. Insttning av ekvation 2 och 3 i ekvation 1 ger fljande rotations-funktioner i styrlederna

(

) (

) (4)

(

) (

) (5)

Sjsttning av Ubtsrddningsfarkosten modelleras genom ansttning av translaterande rrelser i

hydraulcylindrarna. Fr att modellera sjsttningen av Ubtsrddningsfarkosten styrs de tv

translaterande rrelserna i hydraulcylindrarna. Hydraulcylindrarnas slaglngd uppgr i CAD-

modellen till 4,17 m och utfllningstiden frn infllt till utfllt lge r 120 s.

3.2.2 Simulering

Den simuleringstyp som anvnds r en dynamisk simulering som, till skillnad frn statisk och

kinematisk simulering, ven tar hnsyn till komponenternas trghetsmoment. Den dynamiska

simuleringen utfrs med den inbyggda integrationsmodulen GSTIFF fr lsning av differential-

ekvationer. Med GSTIFF-modulen medfljer ett antal valmjligheter av tekniker fr att beskriva

det mekaniska systemet. Fr detta system vljs formuleringen I3, vilket r en snabb och

noggrann iterationsprocess. Den logiska och relativa integrationstoleransen fr simuleringarna

anstts till 110-3

.

Simuleringstiden fr varje lastfall anstts till periodtiden fr respektive rrelse, samt tidsteget till 100 gnger simuleringstiden. Fr att filtrera systemets dynamiska insvngningar, som

uppkommer av den begynnande snabba hastighetsndringen, startas simuleringarna i sitt

jmviktslge. Simuleringsdatan som anvnds fr respektive lastfall kan ses i Tabell 4 nedan.

Tabell 4. Lastfallsdata.

Lastfall [] [s] [] [s] [] [s]

Maximalt tillten

rollrrelse utan URF 10 9 - - - -

Maximalt tillten

pitchrrelse utan URF - - 4 13 - -

Sjsttning av URF utan

sjhvning - - - - 0 - 88 120

12

De simulerade krafterna som r av intresse r de som pverkar A-ramen, det vill sga de krafter

som verkar i kontaktpunkterna mellan ben och fot, ben och verliggaren samt verliggaren och

vaggan. P grund av den symetriska utformningen behvs endast krafterna babords mtas upp.

De relevanta punkternas lge kan skdas i Figur 8. De simulerade krafterna uppmts relativt

systemets globala koordinatsystem.

Figur 8. De krafter som pverkar A-ramen.

3.2.3 Resultat

Resultatet av de krafter och moment som uppkommer i kontaktpunkten mellan ben och

verliggaren plottas som funktion av rotationsvinklarna , samt och presenteras nedan. Grafer ver resterande reaktionskrafter och moment som verkar p A-ramen i kontaktpunkterna

, och fr de tre lastfallen kan ses i Bilaga A.

3.2.3.1 Rollrrelse utan URF

Krafterna i kontaktpunkten mellan ben och flns som uppkommer av den maximalt tilltna

rollrrelsen presenteras i Figur 9. Reaktionskrafternas tecken r relativt det globala

koordinatsystemet vilket medfr att r negativ. Som figuren visar r reaktionskraften i z-led i princip noll d inga krafter pverkar konstruktionen i denna riktning.

13

Figur 9. Reaktionskrafter i kontaktpunkten mellan ben och flns.

De reaktionsmoment som uppstr i kontaktpunkten presenteras i Figur 10 som funktion av

rollvinkeln . Som figuren visar r reaktionsmomentet som strst kring den globala z-axeln, uppemot kNm, medan momentet kring y-axeln r frsumbart d dess bidrag endast r 1,2 % av det maximala momentet kring z-axeln.

Figur 10. Reaktionsmoment i kontaktpunkten mellan ben och flns.

14

Absolutbeloppet av krafterna och momenten i visar vid vilka rollvinklar pfrestningarna p flnsen r som strst. Som Figur 11 visar sker detta vid de tv ndlgena. De simulerade

krafterna och momenten i respektive riktning, vid samt , presenteras i Tabell 5.

Figur 11. Absolutbeloppet av krafterna och momenten i kontaktpunkt mellan flns och ben.

Tabell 5. Maximala och minimala reaktionskraften och momenten i flns.

Pknning i flns

[N] 9 417 -9 077

[N] -80 790 -82 800

[N] 60 59

[Nm] -5 819 -5 815

[Nm] 251 233

[Nm] 21 310 -21 220

3.2.3.2 Pitchrrelse utan URF

Vid simulering av fartygets pitchrrelse uppkommer en kraft p -7 N i x-led och mellan

-1,4 2,2 kN i z-led vilka kan ses som frsumbara frhllande till reaktionskraften p -85,9 till -74,7 kN i y-led. En graf p hur krafterna frhller sig till pitchvinkeln presenteras i Figur 12.

15

Figur 12. Reaktionskrafter i kontaktpunkten mellan ben och flns.

D A-ramen roterar kring x-led under pitchrrelsen uppstr endast moment kring x-axeln i

kontaktpunkten mellan ben och flns, vilket Figur 13 visar. Momenten kring de vriga axlarna r

frsumbara d de maximalt blir -10,6 samt 47,1 Nm kring y- respektive z-axeln.

Figur 13. Reaktionsmoment i kontaktpunkten mellan ben och flns.

ven fr fartygets pitchrrelse r pfrestningarna p flnsen som strst vid de bda ndlgena,

respektive , se Figur 14. De uppmtta krafterna och momenten i respektive riktning vid de kritiska lgena r sammanstllda i Tabell 6.

16

Figur 14. Absolutbeloppet av krafterna och momenten i kontaktpunkt mellan flns och ben.

Tabell 6. Maximala och minimala reaktionskraften och momenten

Pknning i flns

[N] -7 -7

[N] -85 880 -74 700

[N] -1 405 2 188

[Nm] 3 211 -13 910

[Nm] -7 -11

[Nm] 47 43

3.2.3.3 Sjsttning av URF utan sjhvning

En graf ver de simulerade reaktionskrafterna mellan flns och ben som funktion av

utfllningsvinkeln ses i Figur 15. Under sjsttning av Ubtsrddningsfarkosten fs en reaktionskraft i y-led p -335 kN. De vriga rektionskrafterna r relativt sm, kring -7 i x-

respektive 226 till -233 N i z-led. Dessa krafter kan dock anses som frsumbara d de

uppkommer genom att bussningarna tillter viss frskjutning av verliggaren.

17

Figur 15. Reaktionskrafter i kontaktpunkten mellan ben och flns.

I Figur 16 nedan presenteras reaktionsmomenten som funktion av . Momentet kring x-axeln r -75,89 och 75,9 kNm i infllt respektive utfllt lge. Som figuren visar r ven momenten kring

de vriga axlarna frsumbara, maximalt endast 45,7 Nm.

Figur 16. Reaktionsmoment i kontaktpunkten mellan ben och flns.

Vid sjsttning av den 52 ton tunga Ubtsrddningsfarkosten fs strst pfrestningar vid infllt

respektive utfllt lge, se Figur 17. Krafterna och momenten som pverkar flnsen vid dessa tv

tillfllen presenteras i Tabell 7.

18

Figur 17. Absolutbeloppet av krafterna och momenten i kontaktpunkt mellan flns och ben.

Tabell 7. Maximala och minimala reaktionskraften och momenten

Pknning i flns

[N] -7 -7

[N] -335 000 -335 000

[N] 226 -233

[Nm] -75 890 75 860

[Nm] -9 27

[Nm] 46 27

3.3 FEM-modellering

Som underlag fr vilka pfrestningar som kan vara skadliga fr konstruktionen utfrs FEM-

simuleringar av flnsfrbandet samt en egenfrekvensanalys av A-ramen.

3.3.1 Resonans

D konstruktionen utstts fr en oscillerande yttre strning, i detta fall fartygets rrelse i sj, r

det av stor vikt att underska egenfrekvenserna i systemet d dessa kan leda till ptaglig kning

av systemets svngningsamplitud och accelerationer som i sin tur kan skada konstruktionen.

Endast de lgre egenfrekvenserna tas i beaktning d hgfrekventa svngningar i regel r av s

pass lg amplitud att de inte r av intresse fr eventuell skadeanalys. Resonanssimulering

genomfrs i ANSYS. Vaggans massa anstts till 10 ton och samtliga kontaktytor mellan delar

anges som ej separerbara.

19

3.3.2 Statisk analys

I programmet Autodesk Simulation vljs analystypen Static Stress with Linear Material Models. Denna frutstter att samtliga applicerade laster r statiska samt att alla spnningar ligger inom det linjrt elastiska omrdet. Statiska laster s som krafter, moment, tryck,

gravitation och/eller frskjutningar anstts och randvillkor samt materialegenskaper fr FE-

modellen definieras. Frutsttningarna fr anvndandet av en statisk analys r att trgheter kan

frsummas samt att deformationerna r sm. D de dynamiska krafterna som pverkar strukturen

under sjgng redan r inrknade i de krafter som appliceras p modellen kan trgheterna i FE-

modellen allts frsummas.

3.3.3.1 Reducerad CAD-modell

En reducerad CAD-modell anvnds fr att erhlla hg upplsning kring problemomrdena men

samtidigt undvika lnga berkningstider, se Figur 18 nedan. D konstruktionen r symmetrisk

fordras endast ena flnsen. Geometrier som anses ej brande r exkluderade ur denna CAD-

modell. Konstruktionens svetsfogar r modellerade med en avrundning p 10 mm. Materialdata

anstts enligt Tabell 1.

Figur 18. Reducerad CAD-modell.

20

3.3.3.2 Applicerade krafter

Fr korrekt belastning av konstruktionen anvnds krafterna och momenten som uppmtts i

kontaktpunkten mellan flnsarna i Adams. Momenten simuleras genom ansttning av vinkelrta

krafter ett knt avstnd frn flnsarna, se Figur 19 nedan. Krafterna och anstts till 80,79

kN respektive 9,42 kN, enligt Tabell 5. Kraften och momentet ndrar dock riktning beroende p om roll styrbord eller babord analyseras.

Figur 19. Applicerade krafter.

Ett moment kring x-axeln, , modelleras genom att anstta en kraft lngden vinkelrtt frn angreppsytan. Kraften anstts med hjlp av s kallade nod-krafter, dr varje vald nod utstts

fr en kraft i valbara komposanter. Komposanterna i detta fall vljs s att kraften r parallell med

angreppsytan, se Figur 20 nedan. D lngden uppgr till 1,12 m och momentet r 5,82 kNm, enligt Tabell 5, anstts kraften till 5,20 kN.

21

Figur 20. Moment kring x-axeln.

Momentet som uppstr kring z-axeln, , p grund av skeppets rollrrelse, modelleras enligt Figur 21 nedan. Kraften anstts vinkelrtt mot flnsarna lngden frn flnsarnas mittpunkt. D lngden uppgr till 2,75 m och momentet skall vara 21,3 kNm enligt Tabell 5, anstts kraften till 7,76 kN.

Figur 21. Moment kring z-axeln.

3.3.3.3 Meshstruktur

Fr att minimera berkningstid men samtidigt erhlla hg upplsning kring problemomrdena

anvnds s kallade refinement points. Dessa medfr att anvndaren kan styra ver mesh-storleken. Punkterna placeras med jmna mellanrum dr flnsarna mter respektive balk, se

Figur 22 nedan. I detta fall har dessa punkter stllts in s att meshstorleken skall vara 15 mm

inom en radie av 200 mm frn respektive punkt, ven finare refinement points med meshstorlek

5 mm och radie 20 mm anvnds vid kritiska omrden s som hrn dr spnningskoncentrationer

uppstr. Detta medfr att en relativt grov mesh kan anvndas p resterande struktur som r

mindre signifikant.

22

Figur 22. Mesh ver CAD-modell.

3.3.3.4 Skruvfrband

Skruvfrbandet simuleras med hjlp av kommandot Bolt, som modellerar ett skruvfrband med

hjlp av stnger. Korrekta egenskaper fr skruvfrbandet erhlls genom att ange frspnning,

skruvens diameter samt diameter av skruvskalle och mutter, i detta fall standarddata fr M36.

Beroende p fordrad detaljniv kan antal ekrar som skall simulera skruvskalle och mutter

varieras. I detta fall brukas 12 ekrar, se Figur 23. Frspnningen i skruvarna efter deformation av

flnsar uppgr till 527 kN i enlighet med Handbok om skruvfrband, Colly Company, 1995 [7].

Kontakttypen flnsarna emellan r en s kallad surface contact, vilket innebr att ytorna kan

separera och kollidera med varandra likt verkliga frhllanden. Vidare anstts ven en

friktionskoefficient p 0,78 [8] mellan dessa ytor, vilket r friktionskoefficienten fr stl mot stl

under torr kontakt.

Figur 23. Simulering av skruvfrband.

23

3.3.3.5 Deformation p grund av hydraulikfel

Vid vissa tillfllen uppstr ett hydrauliskt synkroniseringsfel mellan de tv stora hydraulcylindrar

vars uppgift bestr i att flla ut A-ramen verbord. Synkroniseringsfelet skapar stora skjuvkrafter

i flnsarna som riskerar skjuva av flertalet skruvar om dessa ej r tdragna ordentligt. D

verliggaren i den reducerade CAD-modellen endast r hlften av dess ursprungslngd r benens

relativa frskjutning dubbla lngden av , se Figur 24.

Figur 24. Frskjutning p grund av hydrauliskt synkroniseringsfel.

3.3.4 Resultat

Resultaten av konstruktionens egenfrekvensanalys samt flnsfrbandets FEM-analys presenteras

nedan.

3.3.4.1 Resonans

I analysen av egenfrekvenserna fr A-ramskonstruktionen visar sig den lgsta egenfrekvensen

vara 3,59 Hz, se Figur 25. Frekvensen r mycket hgre n fartygets frekvens, som kan antas inte

vara hgre n 0,5 Hz i roll p grund av dess trghet. Resonans kring de lga och skadliga

frekvenserna uppkommer sannolikt ej.

Figur 25. Deformation vid lgsta egenfrekvensen.

24

3.3.4.2 Roll utan URF

D fartyget krnger uppstr klara spnningskoncentrationer kring hrnen p bde undersidan och

ovansidan av flnsfrbandet. Beroende p om fartyget krnger t styrbord eller babord vxlar

spnningskoncentrationerna frn att vara p utsidan av kranen, Figur 26, till insidan av kranen,

Figur 27. Dessa spnningskoncentrationer stmmer vl verrens med de observerade sprickornas

lge kring flnsens inre hrn. Spnningskoncentrationerna uppgr till ca 120 MPa i hrnen.

Magnituden r dock endast av intresse fr jmfrelser mellan olika flnskonstruktioner d

krafterna som ansatts i modellen r tagna ur en dynamisk kraftsimulering i hrd sj, dr

fartygsrrelsen endast r syntetisk och ej kan garanteras stmma verens med verkliga

frhllanden. De vriga hgre spnningarna som frekommer i modellen r endast lokala

spnningskoncentrationer under skruvskallar och muttrar och r endast ett resultat av

frspnning av skruvfrbandet och frhllandevis lg upplsning.

Figur 26. Babords roll utan URF.

Figur 27. Styrbords roll utan URF.

25

3.3.4.3 Sjsttning av URF

De maximala spnningarna som uppstr vid lyft av Ubtsrddningsfarkosten i stillastende

vatten r ca 150 MPa, vilket ej anses skadligt d detta ej r ngon cyklisk belastning. Resultatet

visar att konstruktionen r korrekt dimensionerad fr dessa tunga lyft, se Figur 28.

Figur 28. Sjsttning av URF.

3.3.4.4 Deformation p grund av hydraulikfel

D endast ena benet p kranen rrt sig = 5 cm, enligt Figur 24, uppstr stora pfrestningar p flnsfrbandet. Detta frskjutningsvrde r endast ett antagande d data ej finns tillgnglig kring

dess verkliga frskjutning. Om skruvarna ej r av hg hllfasthetsklass och drmed ej kan

frspnnas tillrckligt hrt, eller om det av ngon annan anledning ej r tillrckligt hg

frspnning i skruvfrbandet, riskerar skruvarna att skjuvas av. I denna simulering r

flnsfrbandet idealt frspnt, dock riskeras stora skador kring flnsarna istllet, med spnningar

upp ver 400 MPa i hrnen, se Figur 29.

Figur 29. Spnningskoncentrationer p grund av hydraulikfel.

26

3.4 Omkonstruktion

Vid analys av resultaten frn de olika lastfallen framkommer att sprickorna med strsta

sannolikhet uppstr p grund av fartygets krngande. Denna cykliska belastning ger upphov till

utmattning i flnsarna varvid sprickbildning uppstr i de skarpa hrn och svetsfogar som r

belgna nrmast spnningskoncentrationerna.

En potentiell lsning r att reducera dessa spnningskoncentrationer genom att styva upp

flnsarna i sidled med 25 mm tjocka livpltar. Uppstyvningen med utstickande liv medfr att en

strre hvarm gentemot kranens rrelser i sidled erhlls, vilket ger strre motstndskraft mot de

pfrestningar som uppstr p grund av fartygets krngande. En verskdlig bild av

omkonstruktionskonceptet visas i Figur 30 nedan, sammanstllnings- samt detaljritningar ver

respektive komponent kan ses i Bilaga B.

Figur 30. verskdlig bild av omkonstruktionen.

Ett liv monteras p vardera sida om benen, detta medfr att krafterna mellan de undre flnsarna

och benen verfrs p ett mer gynnsamt stt. Defekter som kan uppkomma genom

teruppvrmning av regioner kring existerande svetsar undviks ven p bsta mjliga stt d

livpltarna svetsas fast p benens utsidor. Tv hl r ven uttagna p livplten, se Figur 31.

Hlens huvudsakliga uppgift r att medfra strre svetsyta mot benen men ven att reducera

livpltens vikt. En rund urtagning kring livets vre inre hrn reducerar potentiell brottanvisning.

27

Figur 31. Liv undre flns.

Den vre flnsen frstyvas, likt den undre flnsen, med tv liv. Dessa monteras sedan p en plt,

se Figur 32. Pltens funktion r att bidra till gynnsammare monteringsmjlighet mot

verliggaren d svetsning vid redan vrmepverkade zoner undviks i bsta mn.

Figur 32. Frstyvningsmodul vre flns.

28

D livplten sticker ut utanfr den befintliga undre flnsen utkas flnsens lngd frn 870 till

1215 mm och verfldigt material i flnsens vre del tas ven bort, se Figur 33. ven flnsens

bredd utkas med 20 mm fr att erhlla godtagbart monteringsutrymme fr skruvfrbandets

skruvar. Utformingen av den omkonstruerade flnsen medfr att 11 nya skruvhl infrs fr att

bibehlla den existerade delningen mellan hlen.

Figur 33. Omkonstruerad (till vnster) samt original undre flns (till hger).

Som figuren visar avrundas de skarpa hrnen i flnsens inre fyrkantiga hlrum med en radie p

50 mm enligt den tidigare reparationsdokumentationen frn Inspecta. Avrundningen medfr att

brottanvisningar reduceras. P originalflnsarna var en tunnare plt monterad i urtagningarna,

pltarna r dock borttagna p den omkonstruerade flnsarna d de medfr frsmrad hllfasthet

hos flnsarna nr de svetsats fast. De omkonstruerade flnsarna monteras mot benen likt den

senaste reparationen.

De vre flnsarna omkonstrueras likt de undre genom att des hjd och bredd utkas, se Figur 34.

Gllande de 16 monteringshl fr vaggans monteringsgla utfrs ingen omkonstruktion och

befintliga mtt och dimensioner anvnds. ven hos den vre flnsen infrs avrundningar av alla

skarpa inre hrn. De bda omkonstruerade flnsarnas godstjocklek p 40 mm bibehlls.

29

Figur 34. Omkonstruerad (till vnster) samt original vre flns (till hger).

Det tidigare avstndet mellan hlen och flnsens yttre kant r ngot fr litet, 50 mm. Ett fr litet

avstnd frsmrar spnningsfldet kring hlen och kan frsmra flnsfrbandets livslngd.

Avstndet utkas till 65 mm fr att ge mer gynnsamma spnningsfrhllanden, se ritning 004

och 007 i Bilaga B.

3.4.1 FEM

Den omkonstruerade modellen simuleras med samma typ av belastning som modellen i Figur 26

och Figur 27, detta fr att kunna gra en rttvis jmfrelse mellan ursprungliga konstruktionen

och den modifierade konstruktionen. Den modifierade konstruktionen uppvisar klar frbttring,

spnningarna i de yttre hrnen som i Figur 26 uppgr till ca 120 MPa uppgr endast till ca 30

MPa i den modifierade konstruktionen, se Figur 35. Hgsta spnningarna som uppkommer kring

svetsarna i detta lastfall r ca 55 MPa. Spnningarna som i Figur 27 uppgr till ca 125 MPa i de

inre hrnen uppgr till endast 60 MPa den modifierade konstruktionen, se Figur 36, detta trots att

ingen frstyvning har kunnat infras p insidan. Hgsta spnningarna som uppkommer kring

svetsarna i detta lastfall r ca 50 MPa.

30

Figur 35. FEM-simulering av omkonstruktion babords roll

.

Figur 36. FEM-simulering av omkonstruktion styrbords roll.

31

3.5 Kostnadskalkyl

En kostnadsanalys utfrs fr att f en inblick av omkonstruktionens material- och

tillverkningskostnad, se Tabell 8. Samtliga komponenter vattenskrs ur stlet SS 355 och

kostnaderna r exklusive moms, baserade p en offert frn fretaget Prodcut Skrteknik AB.

Tabell 8. Kostnadskalkyl fr omkonstruktion.

Komponent Antal Kostnad kr/st

Plt vre flns 2 3 730

Liv vre flns 4 1 770

vre flns 2 28 500

Undre flns 2 22 400

Liv undre flns 4 3 050

Total kostnad 128 540

Som Tabell 8 visar ovan r den totala kostnaden fr material och tillverkning 130 000 kr. Utver

dessa kostnader tillkommer ven monteringskostnader s som monteringstid, beredning,

svetsmaterial samt ytbehandling. Dessa kostnader r frsummade i kalkylen d tillrcklig

materialdata fr A-ramen saknas.

32

33

4 VERIFIERING

I detta kapitel verifieras de kraftsimuleringsmodeller som anvnts i detta examensarbete.

4.1 Simuleringsmodell

Fr att verifiera att modelleringen av kranens rrelser i Adams genererar korrekta krafter utfrs

statiska simuleringar av fartygets maximalt tilltna roll- och pitchrrelse samt sjsttning av

Ubtsrddningsfarkosten utan sjhvning. De simulerade krafterna jmfrs mot analytiska

berkningar av reaktionskrafterna i MATLAB R2011a. Vid analytiska berkningar av

reaktionskrafterna som uppkommer p A-ramen under roll- respektive pitch-rrelserna blir

ekvationssystemet statiskt obestmt, antalet oknda krafter r fler n antalet ekvationer. Detta

medfr att verifieringen av dessa rrelser sker genom kraft- och momentjmvikt i roll- respektive

pitchleden.

4.1.1 Statiska simuleringar

De statiska simuleringarna av kranens rrelse utfrs med Adams inbyggda statiska

analyseringsmodul. Fr att erhlla en felfri och relativt snabb itteringsprocess krvs ndring av

vissa instllningar i simuleringsmodulen. Det maximala passningsfelet stts till 1 mm, den

maximalt tilltna translationsndringen till 5 mm per iteration samt den maximalt tilltna

vinkelndringen till 0,05 grader per iteration. Genom ansttning av det maximalt tilltna antalet

iterationssteg till 100 och den maximalt tilltna kraftdifferensen i jmviktsekvationerna till 10-3

erhlls en snabb och felfri simulering. Simuleringsstegen anstts till 10 gnger simuleringstiden

fr respektive lastfall.

4.1.2 Rollrrelse

Som underlag fr verifieringen av krafterna som uppkommer genom fartygets rollrrelse ritas

illustrerande bilder av kranens rrelse i xy- samt yz-planet upp, se Figur 37. I figuren visas de

reaktionskrafter och reaktionsmoment som verkar i rollcentrumet samt masscentrums rrelse i

frhllande till rollvinkeln . D A-ramens tyngdkraft endast verkar i global y-led, och sledes ej bidrar till ngot moment kring y-axeln, kan frilggning i xz-planet frsummas.

34

Figur 37. Krafter, moment och geometriska samband av rollrrelsen i xy- och yz-planet.

A-ramens totala massa, , r summan av benens, verliggarens, vaggans och pivramens massa. Massan av de tv ftterna och rollplattan frsummas d simuleringsmodellen ej tar

hnsyn till dessa. r det radiala avstndet frn rollcentrumet till A-ramens masscentrum nr

A-ramen r i sitt infllda lge. r uppmtt i CAD-modellen till 11,3 m. Den horisontella lngdkomposanten frn rollcentrumet till A-ramens masscentrum i z-led uppmtts till 5,2 m. Genom de geometriska sambanden i Figur 37 fs jmviktsekvationerna i rollcentrum enligt

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Reaktionskrafterna och momenten i rollcentrum plottas som funktion av rollvinkeln , som varierar mellan -10 till 10, tillsammans med de statiskt simulerade resultaten, se Figur 38 och

Figur 39.

35

Figur 38. Simulerade och berknade krafter i rollcentrum.

Figur 39. Simulerade och berknade moment i rollcentrum.

I de tv graferna ovan framgr tydligt att krafterna och momenten som uppkommer av fartygets

rollrrelse i den statiska simuleringen, verensstmmer med den analytiska modellen.

Modelleringen av fartygets rollrrelse r drmed verifierad och kan sledes ses som korrekt

utfrd.

36

4.1.3 Pitchrrelse

De statiska krafterna och momenten berknas analytiskt fr att verifiera simuleringen av

pitchrrelsen. Det geometriska samband som beskriver masscentrums lge som funktion av

pitchvinkeln ses i Figur 40 nedan.

Figur 40. Geometri av pitchrrelsen i yz-planet.

Det horisontella avstndet mellan pitchcentrumet och masscentrumet, , r 44,8 m. r vinkelrta avstndet frn pitchplattan till masscentrum och r detsamma som fr rollrrelsen.

r det radiella avstndet frn pitchcentrum till A-ramens masscentrum och berknas genom Pythagoras sats:

(11)

Fr att berkna den korrekta hvarmen som ger upphov till reaktionsmomentet infrs en kompensationsvinkel mellan och . Genom geometriska samband ur Figur 40 ovan fs jmviktsekvationerna:

(12)

(13)

(14)

och kompensationsvinkeln :

(

) (15)

D rotationsleden fr pitchcentrumet ligger i linje med masscentrumet uppstr varken ngon

kraft i x-led eller ngra moment kring y- respektive z-axeln. Detta medfr att frilggning av

systemet i xy- och xz-planet ej r relevant. En graf ver de berknade och simulerade krafterna

respektive momenten i pitchcentrumet som funktion av pitchvinkeln , frn -4 till 4, presenteras i Figur 41 och Figur 42.

37

Figur 41. Simulerade och berknade krafter i pitchcentrum.

Figur 42. Simulerade och berknade moment i pitchcentrum.

De simulerade krafterna r identiska med de analytiskt berknade krafterna medan fr

reaktionsmomentet frekommer en viss differens p maximalt p 2 % vid . Detta beror p att den analytiska modellen ej tar hnsyn till att vaggan tillts rotera fritt kring den lokala x-axeln

i rotationsleden mellan vaggan och verliggaren. Denna differens kan allts frsummas och

modelleringen av fartygets pitchrrelse kan ses korrekt utfrd.

38

4.1.4 Sjsttning av URF

Vid verifiering av sjsttningen av ubtsrddningsfarkosten frsummas fartygets sjgng samt

Ubtsrddningsfarkostens tyngd och endast de pfrestningar som uppkommer under utfllning

av A-ramen beaktas. A-ramens symmetriska utformning medfr att reaktionskrafterna r

identiska babord respektive styrbord fr godtycklig punkt. Detta medfr att endast halva A-

ramens reaktionskrafter och moment behver verifieras. En illustration ver de ingende

kontaktpunkterna mellan fot och ben, , hydraulcylinder och ben, , verliggaren och ben, , samt mellan verliggaren och vaggan, , kan ses i Figur 43 nedan.

Figur 43. Punkter fr verifieringen av sjsttning av URF.

I figuren visas ven de ingende komponenternas masscentrum, till och kontaktpunkten mellan hydraulcylindern och foten, . Punkternas koordinater under utfllningen bestms med dess avstnd frn rotationsledens punkt, , i y- och z-led samt utfllningsvinkeln , som varierar mellan 0 och 88. Punkternas begynnande avstnd frn rotationspunkten i y- och z-led,

d A-ramen befinner sig i sitt infllda lge, presenteras i Tabell 9 nedan.

Tabell 9. Uppmtta lngder frn rotationsleden till punkt 2-8 vid infllt lge.

Lngd y-led [m] z-led [m]

2,28 2,03

9,40 8,03

9,62 7,76

4,49 2,98

10,26 8,38

7,59 7,76

1,06 7,93

39

En kompensationsvinkel, , infrs mellan punkterna och den horisontella z-axeln fr att respektive punkt skall erhlla korrekt position under rotationen vinkel , se Figur 44 nedan.

Figur 44. Korrigeringsvinkel fr godtycklig punkt.

Vinkeln fr godtycklig punkt berknas enligt

(

) (16)

dr och r avstndet mellan rotationsleden och punkten i y- respektive z-led. Punkternas y- och z-koordinater som funktion av vinkel fs enligt

(17)

(18)

dr r radien frn rotationsleden till punkten och erhlls genom Pythagoras sats:

(19)

Nr punkternas koordinater som funktion av vinkeln nu r knda frilggs A-ramens komponenter i yz-planet var fr sig. Se Figur 45 till Figur 47 fr frilggningsfigurer av

respektive del med tillhrande reaktionskrafter och moment. D endast halva A-ramen tas i

beaktning stts verliggaren, vaggan samt pivramens massor till hlften.

40

Figur 45. Frilggning av vaggan i yz-planet.

D de reaktionskrafter som verkar p pivramen ej r av intresse adderas pivramens vikt till

vaggans. Genom att vaggan tillts rotera fritt i x-led kring tas ej ngot moment upp. De globala krafterna i y- respektive z-led berknas enligt

( )

(20)

(21)

Figur 46. Frilggning av verliggaren i yz-planet.

Kraftjmvikt fr den frilagda verliggaren i y- respektive z-led samt momentjmvikt kring stlls upp och ger fljande

( )

(22)

(23)

( )

( ) (24)

41

Figur 47. Frilggning av ben i yz-planet.

D benet roterar fritt kring och hydraulcylindern r ledad i kan dessa punkter ej ta upp ngot moment. Detta medfr att vid frilggning av A-ramens ben uppstr fyra oknda krafter.

Reaktionskrafterna och r dock beroende av den oknda cylinderkraften, , se Figur 48.

Figur 48. Geometriskt samband mellan cylinderkraften och reaktionskrafterna i .

r vinkeln mellan hydraulcylindern och den horisontella z-axeln och berknas enligt

(

) (25)

Med vinkeln bestmd kan reaktionskrafterna skrivas om som

(26)

(27)

42

Med reaktionskrafterna i omskrivna som funktion av och berknas reaktionskraften i

hydraulcylindern genom momentjmvikt kring , vilket ger

( )

( ) (28)

Genom kraftjmvikt i y- respektive z-led berknas reaktionskrafterna och enligt

(29)

(30)

De berknade reaktionskrafterna i till och reaktionsmoment plottas tillsammans med de statiskt simulerade resultaten som funktion av utfllningsvinkeln , se Figur 49 till Figur 53.

Figur 49. Simulerade och berknade krafter i p1.

43

Figur 50. Simulerade och berknade krafter i p2.

Figur 51. Simulerade och berknade krafter i p3.

44

Figur 52. Simulerade och berknade moment i p3.

Figur 53. Simulerade och berknade krafter i p4.

Precis som Figur 49 till Figur 53 visar r de analytiskt berknade reaktionskrafterna och

momenten identiska med det statiskt simulerade resultatet i samtliga punkter.

Simuleringsmodellen av sjsttningen av URF kan drmed anses vara korrekt utfrd.

45

5 DISKUSSION OCH SLUTSATS

I detta kapitel diskuteras och sammanfattas de resultat som presenterats i fregende kapitel.

5.1 Diskussion

Sprickorna uppstr med strsta sannolikhet p grund av utmattning, den cykliska belastning som

konstruktionen pverkas av d fartyget krnger skapas frutsttningar fr utmattningsbrott.

Denna slutsats styrks ven av Jonas Faleskog, Universitetslektor p Institutionen fr

Hllfasthetslra, KTH. Vidare kan sprickor initieras och propagera lttare p grund av eventuella

materialdefekter och/eller svetsdefekter.

Eventuella toleransfel som orsakar spnningar i konstruktionen efter montering har ej kunnat tas

i beaktning d det ej finns ngon data kring detta. Fartygets rrelser och dess roll- och

pitchcentrum r antagna, vilket skapar oskerhet kring de belastningar konstruktionen utstts fr.

Omkonstruktionen frstyvar flnsfrbandet, designen medfr att spnningar sprids ut och tas upp

av benen. Hur detta pverkar resterande delar i konstruktionen har ej underskts.

En mer kostsam men mjligen bttre lsning r att, utver frstyvningarna, placera vinschen p

dck fr att minska pfrestningarna p A-ramen. Vajern kan placeras i en flla lngs med dck

nr kranen ej brukas. Resterande konstruktion kan behllas men vinschdelen i vaggan erstts

med en trissa.

5.2 Slutsats

Den ursprungliga konstruktionen r ej tillrckligt anpassad fr en plattform som tillts krnga s pass mycket som ett fartyg.

A-ramens egenfrekvens r mycket hgre n den frekvens som kan uppkomma frn fartygets rrelser, risken fr skadlig resonans r drmed minimal.

Den cykliska belastning som uppkommer p grund av fartygets rrelser bidrar till utmattning kring konstruktionens svagaste punkter, omrdena kring svetsfogarna i

flnsarna.

Konstruktionen kan frbttras med en frhllandevis enkel och billig omkonstruktion av flnsfrbandet som bde frstyvar flnsarna och minskar brottanvisningar.

De osynkroniserade hydraulcylindrarna kan orsaka stor skada vid extrema differenser, detta kan tgrdas med hjlp av effektivare hydraulikstyrning.

46

47

6 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE

I detta kapitel ges rekommendationer for mera detaljerade lsningar och/eller framtida arbete.

6.1 Rekommendationer

Utfrliga materialprover p A-ramens stl rekommenderas fr att f en klarhet angende dess kvalitet, hllfasthetsegenskaper samt legeringssammansttning. Detta skulle i sin tur

ligga till grund fr bedmning av materialets svetsbarhet och val av lmpligt

tillsatsmaterial fr att erhlla god hllfasthet i svetsfogarna.

Dimensionering av svetsfogar samt val av lmpliga fogutformningar br utfras.

Hydraulslangarnas montering kring det modifierade flnsfrbandet br ses ver, d befintlig montering r ej mjlig.

6.2 Framtida arbete

Genom att logga HMS Belos rrelser under en lngre period i olika sjtillstnd kan de faktiska krafterna simuleras och korrekt analys av spnningarna i flnskonstruktionen

utfras. ven ett spektrum med antal cykler under specifik belastning kan tas fram.

Spektrumet kan i sin tur ligga som grund fr utmattningsanalys av konstruktionen.

Fr att verifiera de simulerade spnningarna kan tjningsgivare monteras kring de punkter dr de hgsta spnningarna i FEM-analysen frekommer. Dock mste ven

fartygets rrelser loggas samtidigt fr att analysen skall kunna bli korrekt.

En parametriserad simuleringsmodell fr berkning av kritiskt sprickdjup br skapas.

48

49

7 REFERENSER

I detta kapitel anges de referenser som anvnds i detta examensarbete.

[1] Figur ver HMS Belos akterkran, http://covertshores.blogspot.com/2010/07/

swedish-midget-subs.html (skt 2012-02-07)

[2] Frsvarsmakten Regler fr militr sjfart, http://www.forsvarsmakten.se/sv/ Om-Forsvarsmakten/Dokument/Regler-for-Militar-Sjofart/ (skt 2012-02-07)

[3] Gtaverken Cityvarvet AB Servicerapport spricka SB-Ben (Internt dokument)

[4] Gtaverken Cityvarvet AB Sprickproblematik A-RAM (Internt dokument)

[5] Det Norske Veritas DNV Certification for J2184 FMV URF Handling System (Internt dokument)

[6] Bengt Sundstrm Handbok och formelsamling i Hllfasthetslra sid 372-373

[7] Colly Company AB Handbok om skruvfrband sid 40 ISBN 91-630-3882-X

[8] Friktionskoefficient fr stl mot stl, http://engineershandbook.com/Tables/

frictioncoefficients.htm (skt 2012-04-12)

50

1

BILAGA A: SIMULERADE KRAFTER P A-RAMEN

Rollrrelse utan URF

De dynamiska krafter och moment som pverkar A-ramen i punkterna 1-4 under den maximalt

tilltna rollrrelsen plottas som funktion av rollvinkeln och presenteras i Figur 1-6 nedan.

Figur 1. Dynamiska krafter i p1 som funktion av .

Figur 2. Dynamiska moment i p1 som funktion av .

2

Figur 3. Dynamiska krafter i p2 som funktion av .

Figur 4. Dynamiska krafter i p3 som funktion av .

3

Figur 5. Dynamiska moment i p3 som funktion av .

Figur 6. Dynamiska moment i p3 som funktion av .

4

Pitchrrelse utan URF

De krafter och moment som pverkar A-ramen under den maximalt tilltna pitchrrelsen plottas

som funktion av vinkeln och presenteras i Figur 7-12 nedan.

Figur 7. Dynamiska krafter i p1 genom pitchrrelsen som funktion av .

Figur 8. Dynamiska moment i p1 genom pitchrrelsen .

5

Figur 9. Dynamiska krafter i p2 genom pitchrrelsen .

Figur 10. Dynamiska krafter i p3 genom pitchrrelsen .

6

Figur 11. Dynamiska moment i p3 genom pitchrrelsen .

Figur 12. Dynamiska krafter i p4 genom pitchrrelsen .

7

Sjsttning av URF utan sjhvning

Reaktionskrafterna och momenten som uppkommer i punkterna 1-4 under sjsttning av URF

plottas som funktion av utfllningsvinkeln , se Figur 13-18.

Figur 13. Dynamiska krafter i p1 som funktion av .

Figur 14. Dynamiska moment i p1 som funktion av .

8

Figur 15. Dynamiska krafter i p2 som funktion av .

Figur 16. Dynamiska krafter i p3 som funktion av .

9

Figur 17. Dynamiska moment i p3 som funktion av .

Figur 18. Dynamiska krafter i p4 som funktion av .

10

1

BILAGA B: RITNININGSUNDERLAG

2

3

4

5

6

7

8

9