Koncept för koppling av boj till generator i ett vågkraftverkuu.diva-portal.org/smash/get/diva2:538228/FULLTEXT01.pdf · Examensarbete: KONCEPT FÖR KOPPLING AV BOJ TILL GENERATOR

INGUTB-EX-M-2012/05-SE

Examensarbete 15 hpApril 2012

Koncept fr koppling av boj till generator i ett vgkraftverk

Feroz Mahbob

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besksadress: ngstrmlaboratoriet Lgerhyddsvgen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Koncept fr koppling av boj till generator i ett vgkraftverk

Concept for connecting buoy to the generator of awave power plant

Feroz Mahbob

Today most of all energy on earth is produced from fossil fuels. This presents a danger to the environment such as emission of greenhouse gases. In order to achieve sustainable development we need clean and renewable energy sources. Wave power is a good solution for future energy supply, with many advantages.

The Department of Electricity in the ngstrm Laboratory at Uppsala University works with the development of a wave power concept where a buoy floating on the sea surface is connected to a generator on the sea floor. The work is performed within the so-called Lysekilproject and the system is tested at a facility in Lysekil on the Swedish west coast. In the existing design, a buoy is connected to the wire that goes from the generator by means of three chains. Due to wave movement wear occurs where the three chains are coupled to the buoy and to each other. There is also a risk of corrosion.

The purpose of this thesis is to come up with a new concept of attachment between the buoy and wire to the generator. The objective is to reduce wear, thus reducing the need for maintenance work.

The first stage of this work was to generate several concepts of possible design solutions. A concept which is based on four beams placed on top of the buoy and a plate in the middle where the wire is secured by a fastener was selected as the preferred concept. This concept was further developed using the CAD-program SolidWorks.

The final structure corresponds to a large extent to the requirement specification which was developed in the beginning of the project. It can withstand a force of 500 kN, which may arise due to the biggest wave during a storm. It has no moving parts, so there will be no wear. Instead of chains a wire is used, which is well protected against corrosion. The proposed design does not need as much maintenance as the existing structure with chains. It is also easy to assemble, provided that the right tool is constructed.

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2012/05-SEExaminator: Lars Degermanmnesgranskare: Rafael WatersHandledare: Halvar Gravrkmo

Examensarbete: KONCEPT FR KOPPLING AV BOJ TILL GENERATOR I ETT VGKRAFTVERK

I

Sammanfattning

Den strsta delen av all energi p jorden utvinns idag frn fossila brnslen. Detta innebr stora faror fr miljn ssom utslpp av vxthusgaser. Fr att uppn en hllbar utveckling behver vi miljvnliga och frnybara energikllor. Vgkraft r drfr en bra lsning fr framtidens energifrsrjning med mnga frdelar.

P avdelning fr Elektricitetslra i ngstrmslaboratoriet vid Uppsala universitet jobbar man med utvecklingen av ett vgkraftkoncept dr en boj som flyter p havsytan kopplas till en generator p havets botten. Arbetet sker inom det s kallade Lysekilsprojektet och systemet testas p en anlggning i Lysekil p vstkusten. I den befintliga konstruktionen kopplas bojen med hjlp av tre kttingar till en vajer som gr till generatorn. P grund av vgornas rrelse uppstr ntningar dr de tre kttingarna kopplas till bojen och till varandra. Det finns ocks stor risk fr korrosion.

Syftet med detta examensarbete r att komma p ett nytt koncept fr infstningen mellan bojen och vajern till generatorn. Mlet r att minska ntningen och p s stt minska behovet av underhllsarbete.

Det frsta steget i arbetet var att generera flera koncept p mjliga konstruktionslsningar. Ett koncept som baseras p att fyra balkar placeras ovanp bojen med en platta i mitten dr vajern fstes med hjlp av en fstanordning valdes som det lmpligaste konceptet. Konceptet vidareutvecklades med hjlp av CAD-programmet SolidWorks.

Konstruktionen som arbetades fram motsvarar till strsta delen den kraftspecifikation som arbetades fram i brjan av projektet. Den kan klara av en kraft p 500 kN, som kan uppst vid de strsta vgorna. Den har inga rrliga delar, s det kommer inte att ske ngon ntning. Istllet fr kttingar anvnds en vajer som r vl skyddad mot korrosion. Konstruktionen behver inte lika mycket underhll som den befintliga konstruktionen med kttingar. Den r ocks ltt att montera, frutsatt att rtt verktyg konstrueras. Nyckelord: Vgkraft, vgkraftverk, CAD, konstruktion, FEM-analys, Lysekilsprojektet, boj


II

Frord

Detta examensarbete genomfrdes vren 2012 p maskiningenjrsprogrammet vid Uppsala universitet, avdelning fr Elektricitetslra, och omfattar 15 hp.

Jag skulle vilja tacka min handledare Halvar Gravrkmo och mnesgranskare Rafael Waters fr givande diskussioner och std under arbetets gng. Jag vill ocks tacka Hugo Nguyen fr diskussioner av koncept samt tips om berkningar.

Uppsala, april 2012

Feroz Mahbob


III

Innehllsfrteckning 1 Inledning ...................................................................... 1-7

1.1 Bakgrund ............................................................................................ 1-3 1.1.1 Vgkraft ..................................................................................... 1 1.1.2 Lysekilsprojektet ....................................................................... 2 1.1.3 Ringboj ...................................................................................... 3

1.2 Problembeskrivning .............................................................................. 4 1.3 Syfte ...................................................................................................... 4 1.4 Avgrnsningar....................................................................................... 4 1.5 Kravspecifikation .................................................................................. 5 1.6 Ml ........................................................................................................ 5 1.7 Metodik .............................................................................................. 5-7

1.7.1 Brainstorming ............................................................................ 5 1.7.2 Studiebesk ............................................................................... 6 1.7.3 Idvalmatris ............................................................................... 6 1.7.4 SCAMPER ................................................................................ 6 1.7.5 CAD-modellering och FEM-analys .......................................... 6 1.7.6 Kontakt med leverantrer ....................................................... 6-7 1.7.7 Ritningar .................................................................................... 7

2 Teori .......................................................................... 8-11

2.1 FEM-analys........................................................................................ 8-9 2.2 Svetsfrband .................................................................................... 9-11

2.2.1 Berkning av brfrmga hos klsvetsar .............................. 9-11

3 Genomfrande ......................................................... 12-25 3.1 Konceptgenerering ......................................................................... 12-14

3.1.1 Koncept 1 plattstnger och lyftgla ...................................... 12 3.1.2 Koncept 2 rundstnger och schackel ............................... 12-13 3.1.3 Koncept 3 balkar med platta ................................................. 13 3.1.4 Koncept 4 fackverk ......................................................... 13-14

3.2 Analys av koncepten och konceptval ............................................ 14-15 3.2.1 Koncept 1 ................................................................................ 14 3.2.2 Koncept 2 ................................................................................ 14 3.2.3 Koncept 3 ........................................................................... 14-15 3.2.4 Koncept 4 ................................................................................ 15 3.2.5 Idvalmatris ............................................................................. 15

3.3 Val av standardkonstruktionsdelar ................................................ 16-19 3.3.1 Stlvajer ................................................................................... 16 3.3.2 Val av balkar ...................................................................... 16-18 3.3.3 Val av plt till plattan .............................................................. 19

3.4 Konceptutveckling ......................................................................... 19-25 3.4.1 Balkstd ................................................................................... 19 3.4.2 Utformning och fstning av vajerterminalen ...................... 19-20 3.4.3 Stiffener ................................................................................... 21 3.4.4 CAD-modellering och FEM-analys ................................... 21-25

3.5 Materialval .......................................................................................... 25 3.5.1 Konstruktionsstl ..................................................................... 25


IV

3.5.2 Polyuretan ................................................................................ 25

4 Hllfasthetsberkningar fr svetsfrband ............... 26-29 4.1 Berkning av brfrmga hos klsvetsar p fstanordningen

fr vajerterminal ............................................................................ 26-29 4.1.1 Svetsfrband mellan fstanordningen fr vajerterminal

och plattan .......................................................................... 26-28 4.1.2 Svetsfrband mellan fstanordningens sexkantiga block

och stng ............................................................................. 28-29

5 Tillverkningsmetoder .............................................. 30-31 5.1 Svarvning eller frsning? .................................................................... 30 5.2 Formgjutning ...................................................................................... 30 5.3 Ytbehandling.................................................................................. 30-31

6 Montering ................................................................ 32-33 6.1 Utfrande av monteringen .................................................................. 32 6.2 Utformningen av lyftverktyget ........................................................... 33

7 Analys och diskussion ............................................. 34-37 7.1 Hllbarhet ........................................................................................... 34 7.2 Vikt ..................................................................................................... 34 7.3 Kostnad ............................................................................................... 35 7.4 Motsvarar konstruktionen kravspecifikationen?................................. 36 7.5 Slutsats ................................................................................................ 37

8 Frslag p fortsatta underskningar ........................ 38-39

8.1 Frstrkning av konstruktionen .......................................................... 38 8.2 Frbttra balkstd ............................................................................... 38 8.3 Konstruera lyftverktyg ........................................................................ 38 8.4 Testa en annan variant av samma koncept ......................................... 38 8.5 En helt annan lsning.......................................................................... 39

9 Referenser ................................................................ 40-41 9.1 Litteratur ............................................................................................. 40 9.2 Internet ........................................................................................... 40-41


V

Figurfrteckning Figur 1.1. Vgkraftkonceptet baserad p linjrgeneratorn p havets botten kopplad till en flytboj .............................................................................................. 2 Figur 1.2. Sexkantig ringboj .................................................................................... 3 Figur 1.3. Ringboj kopplad till linjrgenerator med ungefrliga mtt .................... 3 Figur 1.4. Den befintliga konstruktionen ................................................................ 4 Figur 2.1 CAD modell indelad i finita element ....................................................... 8 Figur 2.2. a-mtt fr kllsvets ................................................................................. 9 Figur 2.3. Spnningar som uppstr i svetsens dimensioneringssnitt ..................... 10 Figur 3.1. Koncept 1 plattstnger och lyftgla ................................................... 12 Figur 3.2. Koncept 2 rundstnger och schackel ................................................. 13 Figur 3.3. Koncept 3 balkar med platta .............................................................. 13 Figur 3.4. Koncept 4 fackverk ............................................................................ 14 Figur 3.5. Stlvajer Powerplast frn Certex .......................................................... 16 Figur 3.6. I-balk med dess olika delar ................................................................... 16 Figur 3.7. Spnning (von Mises) som uppstr i en HEA balk vid belastning med 500 kN ........................................................................................................... 18 Figur 3.8. Skerhetsfaktorn i HEA balk vid belastning med 500 kN .................... 18 Figur 3.9. Balkstd som placeras p bojen ............................................................ 19 Figur 3.10. Den frsta varianten p fstningen av vajerterminalen ...................... 20 Figur 3.11. Den andra varianten p fstningen av vajerterminalen ....................... 20 Figur 3.12. A Bjning av vajern som r pressad inuti en vajerterminal, B - Dmpning av vajerns rrelse m.h.a. en stiffener ............................................. 21 Figur 3.13. Spnning (von Mises) som uppstr vid belastning med 500 kN ........ 22 Figur 3.14. Skerhetsfaktorn vid belastning med 500 kN ..................................... 22 Figur 3.15. A - Fstanordningen fr vajerterminalen, B vajerterminal .............. 23 Figur 3.16. Skerhetsfaktorn vid belastning av konstruktionen med den nya fstanordningen med 500 kN................................................................................. 24 Figur 3.17. Skerhetsfaktorn vid belastning med 500 kN ..................................... 24 Figur 3.18. Skerhetsfaktor under 1.5 ................................................................... 25 Figur 4.1. Fstanordningens stng som str p plattan .......................................... 26 Figur 4.2. Krafter som verkar p stngen .............................................................. 27 Figur 4.3. Fstanordningens stng svetsad till blocket .......................................... 28 Figur 4.4. Krafter som verkar p stngen .............................................................. 28 Figur 6.1. Monteringen av vajerterminalen i fstanordningen .............................. 32 Figur 8.1. En annan variant av koncept 3 .............................................................. 38


VI

Tabellfrteckning Tabell 1.1. Fr- och nackdelar med vgkraft .......................................................... 1 Tabell 3.1. Idvalmatris fr att jmfra de fyra koncepten ................................... 15 Tabell 3.2. Resultaten av FEM-analys av de olika konstruktionselement ............ 18 Tabell 3.3. Frbttring av fstanordningen m.h.a. SCAMPER ............................. 23 Tabell 7.1. Berkning av konstruktionens totala vikt ............................................ 34 Tabell 7.2. Berkning av konstruktionens totala kostnad...................................... 35 Tabell 7.3. Jmfrelse av den slutliga konstruktionen med kravspecifikationen .. 36


VII

Frkortningar CAD computer-aided design

FEM - Finita Elementmetoden

FEA - Finita Elementanalys

FOS - factor of safety

- von Mises spnning huvudspnning fy - materialets strckgrns a - a-mtt

leff - effektiv svetslngd

- jmfrelsespnning

- normalspnningen vinkelrtt mot svetsriktningen - skjuvspnningen vinkelrtt mot svetsriktningen - skjuvspnningen parallellt med svetsriktningen fu - grundmaterialets brottgrns w - korrelationsfaktor M2 partialkoefficient IPE - Europa-Profil I HEA - Europeisk bredflnsprofil A HEB - Europeisk bredflnsprofil B VKR - Varmformade KonstruktionsRr KKR - Kallformade KonstruktionsRr PUR - poluyretan


1

1 Inledning Inledning ger en kortatfattad introduktion till projektet som detta examensarbete baseras p. Kapitlet innehller ocks en problembeskrivning, arbetets syfte och ml, samt dess avgrsningar. Hr beskrivs ven kravspecifikationen. De metoder som har anvnts behandlas i slutet av kapitlet.

1.1 Bakgrund

1.1.1 Vgkraft

Idag kommer den strsta delen av all energi p jorden frn fossila brnslen. I Sverige str anvndningen av fossila brnslen fr drygt 30 % av den totala energianvndningen (Naturvrdsverket 2012). Uppenbarligen utgr detta stt att utvinna energi stora faror fr miljn ssom utslpp av vxthusgaser. Dessutom r de tillgngliga resurserna av fossila brnslen begrnsade och frnyas mycket lngsamt. De frnyas under mnga miljoner r och frbrukas idag mycket snabbare n vad de frnyas. Drfr rknas fossila brnslen inte som frnybara. Fr att uppn en hllbar utveckling r vi i stort behov av miljvnliga och frnybara energikllor som kan konkurrera med anvndningen av fossila brnslen.

En av framtidens lsningar fr energifrsrjning r vgkraft. Havet har en enorm energipotencial och i detta sammanhang frblir en outnyttjad resurs. Det uppskattas att potentialen fr vgenergi i vrlden uppgr till 10-15 000 TWh per r. Lngs svenska kusten r potentialen ca 10-15 TWh per r, vilket motsvarar ca 10 % av den totala elfrbrukningen i Sverige r 2010 (Lnsstyrelsen Uppsala Ln 2012). Det finns stora miljfrdelar med el som produceras frn vatten. En frdel jmfrt r att det inte krver brnsle, vilket gr att utslppen av koldioxid minskas. Det finns mnga andra frdelar med att anvnda vgkraft, bl.a. stora vrldsresurser och god utnyttjningstid (antal timmar per r som el produceras). Som med de flesta tekniker finns det ven nackdelar, t.ex. kostnader i samband med distributionen av el frn vgkraft och svrigheter att reparera utrustningen nr den r monterad ute i havet. De olika fr- och nackdelarna med vgkraft sammanfattas i Tabell 1.1.

Tabell 1.1. Fr- och nackdelar med vgkraft. Frdelar Nackdelar Inget utslpp av vxthusgaser Dyrt att distribuera el Havet r en outnyttjad energiklla Svrt att reparera utrustningen p plats Hllbart stt att utvinna energi gratis brnsle

Produktionen kan inte regleras

Skapar lokala arbetstillfllen Kan upplevas som strande av fiskare Omgivningen strs minimalt Tekniken r nnu inte fullt utvecklad Havets ekosystem gynnas d vissa arter kan anvnda bojen som ett rev

De enorma krafterna vid storm kan sl snder vgkraftverken

Forskningen om vgkraft r ett komplicerat omrde dr flera vetenskaliga inriktningar mts, bl.a. hydrodynamik, mekanik, elektromagnetism, elektronik och marinbiologi. Forskningen kring vgkraft har pgtt sedan 1970-talet och initierades p.g.a. den stora oljekrisen (Fortum 2012).


2

1.1.2 Lysekilsprojektet

Det finns mnga olika tekniker fr att tillvarata energin i havsvgor. En forskargrupp under ledning av professor Mats Leijon vid avdelning fr Elektricitetslra (Centrum fr Frnybar Elenergiomvandling, CFE) vid Uppsala universitet har utvecklat ett nytt vgkraftkoncept baserat p en direktdriven permanentmagnetiserad linjrgenerator placerad p betongfundament p havets botten (Figur 1.1). Grunden till idn r hjdskillnaden mellan vgtopp och vgdal. Vgornas rrelser fngas upp av en flytboj som befinner sig p havsytan. Bojen kopplas till linjrgeneratorns rrliga del med hjlp av en lina. Den rrliga delen bestr av en translator (pistong) med permanentmagneter som rr sig inuti en stillastende stator. Nr bojen dras upp och ned av vgorna drar linan i translatorn som d rr sig upp och ned i statorn. Detta gr att en spnning induceras i statorn. P s stt omvandlas vgornas rrelseenergi till elektrisk energi inne i generatorn.

Figur 1.1. Vgkraftkonceptet baserad p linjrgeneratorn p havets botten kopplad till en flytboj.

Fr att utvrdera och testa tekniken i en verklig milj startades det s.k. Lysekilsprojektet r 2002. P en anlggning i Lysekil p den svenska vstkusten testas och utvecklas generatorer och ven olika bojar vad gller till exempel deras utformning, storlek, material och miljpverkan. Resultat av de olika testerna kommer att anvndas fr att slutligen uppn ett fullt fungerande koncept. D slutmlet r att kunna producera el, studeras ven hur sammankopplade generatorer fungerar som en enhet i ett vgkraftverk. Generatorer kopplas samman via standardkablar p 25 till 200 meters djup. Vxelstrm omvandlas till likstrm och den elektricitet som alstras verfrs till en mtstation p land via en sjkabel.

Projektet har mnga utmaningar. Konstruktionsdelarna mste klara av att motst de extremt stora krafterna som kan uppst i havet och mste vara skyddade frn korrosion. En annan utmaning r att verfra energi till landet. Den svra arbetsmiljn ute i havet r ocks ett problem.


3

1.1.3 Ringboj

Flera typer av bojar har utvecklats, bl.a. en ringboj. I en av de senare utformningarna av ringbojen r den formad som en hexagon med elliptiskt tvrsnitt (Figur 1.2). Bojen r tillverkad av stl och har p undersidan tre lyftglor som r kopplade till schacklar som i sin tur frankras i tre kttingar. Kttingarna kopplas ihop med hjlp av schacklar och gla till en vajer som gr till generatorn. Konstruktionen visas i Figur 1.3.

Figur 1.2. Sexkantig ringboj.

Figur 1.3. Ringboj kopplad till linjrgenerator med ungefrliga mtt (illustrationen gs av Seabased).


4

1.2 Problembeskrivning

Som redan nmnts r ett av de strsta problemen med vgkraftverk att de utstts fr stora krafter t.ex. vid stormar. Detta gr att de mste konstrueras fr att uthrda stora krafter under lng tid. Samtidigt r underhllsarbete till havs kostsamt, s konstruktionerna behver vara anpassade till ett minimalt behov av underhll. P grund av vgornas rrelse blir det idag en hel del ntningar dr de tre kttingarna kopplas till bojen och till varandra (Figur 1.4). Ett annat problem r korrosion. Nr metalldelarnas ytskikt slits genom att de gnids mot varandra, har materialet inte lngre ngot skydd mot rostangrepp.

Figur 1.4. Den befintliga konstruktionen (foto: vnster Halvar Gravrkmo, hger - Rafael Waters).

1.3 Syfte

Som beskrivs ovan r ntning ett stort problem med den befintliga konstruktionen och syftet med detta examensarbete var att hitta en lsning p det genom att fresl ett nytt fungerande koncept fr infstningen av bojen till vajern som gr frn generatorn.

1.4 Avgrnsningar

Ngon tillverkning kommer inte att ske under examensarbetets gng. I detta examensarbete ingr inte att konstruera ngra verktyg fr monteringen av konstruktionen. Kopplingen av konstruktionen till generatorn ligger ocks utanfr arbetets ram.


5

1.5 Kravspecifikation

I samrd med handledaren framkom fljande kravspecifikation:

Konstruktionen ska vara s enkel som mjligt. De olika infstningarna ska ha s f rrliga delar som mjligt fr att minska

ntningen. Infstningar till bojen mste klara av en dragkraft p 500 kN. Konstruktionen ska mjliggra underhllsintervall p 5 r. Utg frn standardbalkar och fstdon. Rostfritt material ska undvikas pga hg kostnad. Konstruktionen ska anpassas s att man kan utfra arbete p bojen.

Det sistnmnda kravet framkom under arbetets gng.

1.6 Ml

I slutet av detta arbete ska fljande ml uppns:

Komma fram till ett nytt fungerande koncept med kravspecifikationen som frutsttning.

Utfra ndvndiga berkningar vad gller krafter och hllfasthet. Vlja lmpligt material med tanke p hllfasthet, korrosion, milj och

kostnad. Fresl tillverkningsmetoder vid behov. Sammanstlla ritningar p alla konstruktionsdelar.

1.7 Metodik

Fr att utfra detta arbete anvndes fljande metodiska moment:

Brainstorming Studiebesk Konceptval m.h.a idvalmatris SCAMPER CAD-modellering FEM-analys Ritningar

1.7.1 Brainstorming

Det frsta steget i arbetet var att genom brainstorming komma p frslag till olika koncept och konstruktionslsningar. Fr att lttare frestlla mjliga konstruktionslsningar byggdes en bojprototyp av frigolit och annat material. De olika iderna skissades och diskuterades med handledaren vilket ledde till nya ider.


6

1.7.2 Studiebesk

Fr att f en bttre frstelse fr hur vgkraftverket fungerar i verkligheten och vilka problem som behver lsas, gjordes ett studiebesk till Seabased anlggningen i Lysekil. Detta bidrog ven till valet av det lmpligaste konceptet. Efter studiebesket diskuterades de olika konceptfrslagen med handledaren med tanke p hur de uppfyller kravspecifikationen, och det lmpligaste konceptet valdes ut bl.a. med hjlp av idvalmatris.

1.7.3 Idvalmatris

Idvalmatris r en metod som anvnds fr att vlja det lmpligaste konceptet. Metoden utfrs i flera steg. Det frsta steget r att bestmma urvalskriterierna. Drefter vljs en referensmodell som de olika koncepten jmfrs med. Detta kan exempelvis vara den befintliga modellen eller ett av koncepten som anses vara bst. Koncepten kategoriseras som bttre n (+), smre n (-) eller likvrdig (0) jmfrt med referensmodellen. Om vissa kriterier anses vara viktigare n andra kan de tilldelas en viktning mellan 1 och 10. Slutligen jmfrs koncepten genom att multiplicera varje +, - eller 0 med kriteriets viktning och sedan addera dessa tal (Baxter 1996).

1.7.4 SCAMPER

SCAMPER r en checklista fr produktfrbttring som kan anvndas fr att generera ider (Baxter 1996). Denna metod anvnds fr att ndra en redan existerande produkt fr att uppn frbttring. SCAMPER str fr:

Substitute erstta Combine kombinera Adapt anpassa Magnify frstora Put to another use anvnda fr annat ndaml Eliminate/minify eliminera/minska Rearrange/Reverse ndra/kasta om

Varje rubrik ger en id om hur man kan frndra produkten och vilken frdel ndringen skulle ge.

1.7.5 CAD-modellering och FEM-analys

Det utvalda konceptet vidareutvecklades och finslipades genom CAD-modellering och FEM-analys i programmet SolidWorks. Konstruktionen simulerades i SolidWorks Simulation kontinuerligt under arbetets gng fr att upptcka svagheter i modellen och p s stt ta reda p vilka delar behver ndras eller utvecklas fr att f bsta resultat.

1.7.6 Kontakt med leverantrer

Fr att kunna anvnda detaljer som redan finns p marknaden anvndes kataloger frn olika leverantrer fr offshore- och marinindustri. Jag frde ven samtal (per


7

telefon och via mejl) med de olika leverantrerna ssom BE Group, Certex, UW-ELAST, Gunnebo och Trelleborg angende konstruktionsdelar samt mjliga konstruktionslsnigar kontinuerligt under projektets gng.

1.7.7 Ritningar

I konstruktionens slutskede skapades alla detaljritningar enligt Svensk Standard m.h.a. SolidWorks.


8

2 Teori Detta kapitel bekantar lsaren med den teorin som ligger bakom analysen och berkningarna som utfrs under examensarbetets gng.

2.1 FEM-analys

Finita Elementmetoden (FEM) r en numerisk metod fr att hitta approximativa lsningar till partiella differentialekvationer och integralekvationer (Huebner 2001). Analys enligt FEM kallas Finita Elementanalys (FEA) eller konstruktionsanalys. Inom konstruktion anvnds FEM i olika simuleringar i CAD program fr att kunna designa och utveckla olika konstruktioner p bsta stt. FEM kan exempelvis anvndas fr hllfasthetsanalys och gr det mjligt att testa hur stark konstruktionen r och vilka pfrestningar den klarar av. FEM-analysen visar spnningar och deformationer genom hela konstruktionen. Resultaten av en sdan analys visar ven var man kan anvnda mindre material och drmed minska konstruktionens vikt och spara p kostnaderna. Analysen visar ocks vilka delar som behver frstrkas fr att klara de pfrestningar som stlls p konstruktionen.

Huvudprincipen fr FEM-analysen r att erstta ett komplicerat problem med mnga enkla problem. Modellen som ska analyseras delas in i mnga sm delar (vanligtvis trianglar), s kallade finita element (Figur 2.1) som bildar ett nt. Elementen r sammankopplade i punkter som kallas noder. SolidWorks programmet bestmmer en ekvation som styr varje elements beteende och sammanstller sedan alla ekvationer till ett globalt ekvationssystem (matris).

Figur 2.1 CAD modell indelad i finita element (till hger).

Den vanligaste typen av FEM-analys som ven anvnds i mitt examensarbete r statisk analys. Frst berknar programmet frskjutningar i olika riktningar vid varje nod efter en applicerad belastning. Drefter berknas deformationen och slutligen vilka spnningar som uppkommer p grund av dessa deformationer.

Fr att berkna spnningar anvnds den s kallade von Mises metoden i FEM-analysen. Plastisk deformation sker nr von Mises spnningen v verstiger materialets strckgrns. Von Mises spnning i varje nod berknas enligt ekvation (2.1). I ekvationen kombineras de tre huvudspnningarna som uppstr i den enskilda noden och som verkar i x, y och z riktningar (Lundh 2000).


9

(2.1)

dr: r von Mises spnningen, , , r huvudspnningarna. En skerhetsfaktor (factor of safety, FOS) kan berknas utifrn von Mises spnningen enligt ekvation (2.2).

(2.2)

dr: fy r materialets strckgrns, r von Mises spnningen.

Om von Mises spnningen verstiger materialets strckgrns brjar materialet att deformeras plastiskt. Detta innebr att det belastade materialet fr bestende deformationer s att det inte kan terg till sin ursprungliga form nr belastningen upphr, vilket inte kan tilltas i en konstruktion. Skerhetsfaktorn r med andra ord ett mtt p hur nra det r till plastisk deformation i materialet d en viss kraft appliceras. Skerhetsfaktorn mste drfr vara hgre n 1, ju hgre skerhetsfaktor desto bttre, beroende p vilka krav som stlls p konstruktionen.

2.2 Svetsfrband

2.2.1 Berkning av brfrmga hos klsvetsar

Tv viktiga mtt fr kllsvets r a-mttet och effektiv svetslngd leff. a-mttet r det effektiva svetsmttet som visas i Figur 2.2. Det kan beskrivas som hjden i den strsta likbenta triangel som kan inskrivas mellan fogytorna och svetsens toppyta. A-mttet ska vara minst 3 mm. leff r den lngd ver vilken svetsen har full dimension. leff ska vara minst 30 mm om a-mttet r mindre n 5 mm och minst 6 gnger a-mttet om det r strre n 5 mm (Johansson 2009).

Figur 2.2. a-mtt fr kllsvets (Johansson 2009).


10

Brfrmgan hos klsvetsar kan berknas m.h.a. jmfrelsespnning. I denna metod berknas spnningskomposanterna av den kraft som ska verfras via svetsen och sammanstts sedan till en jmfrelsespnning (Johansson 2009). Spnningskomposanterna i den ytan som bildas av leff och a-mttet (s kallade dimensioneringssnittet) visas i Figur 2.3. Jmfrelsespnningen berknas enligt ekvation (2.3).

Figur 2.3. Spnningar som uppstr i svetsens dimensioneringssnitt (Johansson 2009).

(2.3)

dr: r normalspnningen vinkelrtt mot svetsriktningen, r skjuvspnningen vinkelrtt mot svetsriktningen, r skjuvspnningen parallellt med svetsriktningen. Normalspnningen i svetsens lngdriktning tas inte med i berkningarna eftersom den inte verfrs via dimensioneringssnittet (Johansson 2009).

De olika spnningskomposanterna berknas enligt ekvationerna (2.4) och (2.5).

(2.4)

(2.5)

Fr att kllsvetsens dimensionerande hllfasthet ska vara tillrcklig mste tv villkor vara uppfyllda (Johansson 2009):

1. fr inte vara strre n dimensioneringsvrdet fr svetsgodsets hllfasthet, se formel (2.6).


11

!"# $% (2.6)

dr: fu r grundmaterialets brottgrns, w r en korrelationsfaktor som tar hnsyn till att tillsatsmaterialet och grundmaterialet har olika hllfasthet, M2 r partialkoefficienten.

2. fr inte vara strre n dimensioneringsvrdet fr grundmaterialets hllfasthet, se formel (2.7).

&'( !$% (2.7)

Det finns ven en frenklad metod att berkna brfrmgan som baseras p hllfasthetsvrdet vid skjuvning som berknas enligt formel (2.8). Hllfastheten hos svetsgodset r som lgst vid ren skjuvning. Drfr kan detta vrde anvndas fr att vara p den skra sidan (Johansson 2009).

! "# $% (2.8)


12

3 Genomfrande Detta kapitel behandlar arbetets genomfrande med alla dess ingende moment. Kapitlet inleds med en beskrivning av de framtagna koncepten, deras analys och det slutliga konceptvalet. Drefter presenteras val av standardkomponenter fljt av en redogrelse av hur det utvalda konceptet utvecklades till den slutgiltiga konstruktionen. Slutligen beskrivs valet av material.

3.1 Konceptgenerering

Under det frsta mtet med handledaren diskuterades fram att ett bra alternativ till kttingarna vore att anvnda en vajer. Detta skulle minska problemet med ntning som uppstr mellan alla de rrliga delarna i den befintliga konstruktionen. Med detta beslut som grund genererades sedan flera koncept fr hur vajern ska kopplas till bojen genom brainstorming. Av alla de olika konceptfrslag som freslogs valdes fyra stycken som har enklare konstruktion och som ngorlunda uppfyller kravspecifikationen fr att diskutera med handledaren. Det fanns ven en del diskussioner om att anvnda kullager men det blev inget koncept av det p.g.a. att kullagret mste isoleras p ett bra stt d det ska utsttas fr saltvatten. Dessutom skulle en sdan lsning krva mer underhll (bl.a. smrjning).

3.1.1 Koncept 1 plattstnger och lyftgla

Det frsta freslagna konceptet gr ut p att tv plattstnger svetsas i ett kors ovanp bojen. Den ena stngen bockas i mitten fr att ge plats t den korsande stngen. Dr stngerna korsar varandra grs ett hl. Frn undersidan stts in en lyftgla som p ovansidan skruvas fast med en mutter. Vajerns ena nde ingjutes i ett gaffelbeslag och kan p s stt sttas fast i lyftglan.

Figur 3.1. Koncept 1 plattstnger och lyftgla. Vnster vajer frn generatorn ingjutet i ett gaffelbeslag och kopplad till en lyftgla, hger boj med plattstnger.

3.1.2 Koncept 2 rundstnger och schackel

Detta koncept bygger p tv rundstnger som bockas som en bge och svetsas fast antingen p ovansidan eller undersidan av bojen. I mitten dr stngerna korsar varandra hngs en schackel. Vajerns ena nde ingjutes i ett gaffelbeslag och stts fast i schackeln.


13

Figur 3.2. Koncept 2 rundstnger och schackel. Vnster vajer frn generatorn ingjutet i ett gaffelbeslag och kopplad till en schackel, hger boj med rundstnger.

3.1.3 Koncept 3 balkar med platta

I det tredje konceptet placeras fyra balkar som korsar varandra p bojen och en rektangulr platta lggs ovanp balkarna i mitten. Under balkarna svetsas balkstd fr att kraftverfringen mellan balkar och bojen blir jmn. I plattans mitt finns ett hl som vajern ska g igenom. En fstanordning i form av cylinder med fyra ben svetsas fast ovanfr hlet. Vajern pressas ihop inuti en gngterminal som frs in genom hlet i plattan och ut genom fstanordningen. Vajerterminalen kan skruvas fast p fstanordningen m.h.a. en mutter.

Figur 3.3. Koncept 3 balkar med platta. Vnster vajer frn generatorn pressad i en gngterminal, fstanordning och mutter, hger boj med balkar och platta.

3.1.4 Koncept 4 fackverk

I detta koncept anvnds tv fackverk fr att frstrka balkarna genom att frdela den brande kraften p hela balken. Resten av koncepten ser ut som det tredje konceptet och samma komponenter kan anvndas. Detta koncept kan ses som ett alternativ ifall balkarna inte skulle klara av en stor kraft utan frstrkning.


14

Figur 3.4. Koncept 4 fackverk.

3.2 Analys av koncepten och konceptval

3.2.1 Koncept 1

Ingjutet gaffelbeslag r ett bra stt att fsta vajern p, d det bevarar vajerns min brottkraft till 100 % till skillnad frn andra typer av infstningar (Certex 2012). Gaffelbeslaget G-9 frn Certex som passar en 32 mm stlvajer som ska anvndas har en min brottlast p 125 ton och drmed klarar av den stora kraften p 500 kN (ca 51 ton). Infstningen med lyftgla och gaffelbeslag innebr en kraftig minskning p rrliga delar i konstruktionen jmfrt med den befintliga konstruktionen med kttingar.

Detta koncept har dock flera nackdelar. Stngerna r ganska lnga och om de belastas med 51 ton i mitten s kommer de frmodligen att bja sig. Till vilken utstrckning detta kommer att ske beror p dimensioneringen. Stngerna frsvagas ytterligare i mitten p grund av hlet. Ett annat problem r att hitta en gla som klarar av 51 ton.

3.2.2 Koncept 2

Nackdelen om stngerna svetsas p ovansidan r att vajern och bojen kan vid lite strre vgor krocka med varandra och bojen kan skadas. Om stngerna svetsas p bojens undersida finns strre risk fr korrosion. En sdan konstruktion skulle dessutom frsvra underhllsarbete ute i havet samt placeringen av bojen p land. Konstruktionen innehller rrliga delar som gr att det blir slitage mellan schackeln och gaffelterminalen samt mellan schackeln och stngen. En annan nackdel r att en rundstng som r utformad p detta stt inte standardtillverkas och drfr mste specialbestllas, vilket innebr extra kostnad.

3.2.3 Koncept 3

En av frdelarna med detta koncept jmfrt med de andra tv r att kraften frn vajern kan frdelas jmnt p alla sidor av bojen. Plattan dr vajern fstes underlttar


15

arbetet vid montering av vajerterminalen, till exempel skulle en maskin eller en mnniska kunna st dr och jobba. Den hr konstruktionen har dock vissa nackdelar. I likhet med koncept 2 kan balkarna vika sig, men detta koncept kan mjligtvis fungera bttre eftersom balkarna r flera. Ett annat problem r att kraften blir fortfarande koncentrerad i mitten av konstruktionen, men om anvndningen av rrliga delar ska undvikas kan vajern fstas bara p ett enda stlle. I den befintliga konstruktionen frdelas kraften p tre olika stllen genom att anvnda kedjor.

3.2.4 Koncept 4

Konceptet med fackverk har alla de frdelarna som koncept 3 har. Dessutom kan balkarna belastas mycket mer tack vare fackverket. Nackdelen r att konstruktionen blir betydligt tyngre. Om detta koncept vljs att bearbetas och analyseras vidare, mste man frst och frmst tnka igenom val av balkar, material och dimensionering av balkar. Balkar behver vljas s att konstruktionen kan klara av den tnkta belastningen samtidigt som den inte blir alldeles fr tung. P.g.a. fackverket blir konstruktionen hgre och tyngdpunkten kommer drfr att frflyttas hgre upp. Detta medfr att konstruktionen riskerar att bli ostabil, vilket r en nackdel d bojen r hela tiden i rrelse.

3.2.5 Idvalmatris

Efter att ha gtt igenom alla koncept vad gller deras fr- och nackdelar, bestmdes att koncept 3 var det mest passande konceptet att jobba vidare p. Fr att vara sker p att det var ett korrekt val, gjordes en idvalmatris dr koncept 3 jmfrdes med de andra koncepten (Tabell 3.1). Urvalskriterierna som de olika koncepten bedmdes efter valdes m.h.a. kravspecifikationen. Resultatet frn idvalmatrisen visade att koncept 3 var bttre lmpad n de vriga koncepten.

Tabell 3.1. Idvalmatris fr att jmfra de fyra koncepten. Urvalskriterier Viktning Referens

(koncept 3) Koncept

1 Koncept

2 Koncept

4 Enkel konstruktion 5 0 + + - F rrliga delar 10 0 - - 0 Standardkomponenter 5 0 + + - Mjlighet att utfra arbete ovanp bojen

4 0 - - 0

Vikt 6 0 + + - Kostnad 5 0 + + - Livslngd 10 0 - - + Total 0 +21,-24 +21,-24 +10,-21 Balans 0 -3 -3 -11

Anledningen till att den befintliga modellen inte anvndes som referensmodell r att man d inte kan se skillnaden mellan de olika koncepten vad gller de viktigaste urvalskriterierna, dvs. antal rrliga delar och konstruktionens livslngd. Alla koncept har frre rrliga delar n den befintliga konstruktionen och alla har bttre livslngd, men om koncepten jmfrs med varandra blir det tydligt att koncept 3 r bttre p dessa punkter n de andra koncepten.


3.3 Val av standard

3.3.1 Stlvajer

Istllet fr kttingar i den befintliga konsanvndas. Eftersom vajernmot korrosion. En frzinkad fr en sdan milj. Den har en plastskikvajern mer stabil samt ger skydd mot bde inre slitage och korrosion.ska klara av 500 kN med god marginal ska dess dihar en minimal brottkraft p 930 kN

Figur 3.5. Stlvajer Powerplast frn Certex.

3.3.2 Val av balkar

Det finns flera olika typer av balkar och konstruktionsrr, alla med sina frnackdelar. Innan arbetet med det valda konceptet sattes igng, testades och jmfrdes olika typer av balkar och konstruktionsrr vad gm.h.a. FEM-analys i SolidWorks fr att ta reda p vilken typ av konstruktionselement r bst p att klara av en standardkonstruktionselement frn tillverkaren BE Group eftersom de har ett brutbud.

En I-balk har en profil som ser ut som bokstaven Ityper av I-balk r IPE (Europabalken har en mycket strre profilhjd n flnsarnas bredd. HEAmycket bredare flns jmfrt med IPEGroup 2010). Den har ven en god motstndskraft mot knckning. HEB (Europeisk bredflnsprofil B), som r tjockare och tyngre n HEA, anvnds ocks 2010), men i detta arbete

Figur 3.6. I-balk med dess olika delar


Val av standardkonstruktionsdelar

Istllet fr kttingar i den befintliga konstruktionen kommer nu en stlvajer att anvndas. Eftersom vajern ska anvndas i marin milj, behver den vara

rzinkad stlvajer Powerplast frn tillverkaren Certex. Den har en plastskikt mellan kardelerna (Figur 3.

n mer stabil samt ger skydd mot bde inre slitage och korrosion.ska klara av 500 kN med god marginal ska dess diameter vara 32 mm. En sdan vajerhar en minimal brottkraft p 930 kN (se Bilaga 2).

Powerplast frn Certex.

Val av balkar

Det finns flera olika typer av balkar och konstruktionsrr, alla med sina frnackdelar. Innan arbetet med det valda konceptet sattes igng, testades och jmfrdes olika typer av balkar och konstruktionsrr vad gller deras hllfasthet. Detta gjordes

analys i SolidWorks fr att ta reda p vilken typ av konstruktionselement r bst p att klara av en stor belastning. Jag valde

dardkonstruktionselement frn tillverkaren BE Group eftersom de har ett br

balk har en profil som ser ut som bokstaven I (Figur 3.6). De tv vanligaste balk r IPE (Europa-Profil I) och HEA (Europeisk bredflnsprofil A). IPE

balken har en mycket strre profilhjd n flnsarnas bredd. HEA-balken har en ycket bredare flns jmfrt med IPE-balken och har drfr bttre vridstyvhet

. Den har ven en god motstndskraft mot knckning. HEB (Europeisk bredflnsprofil B), som r tjockare och tyngre n HEA, anvnds ocks

arbete testades inte HEB fr att undvika alltfr stor vikt.

balk med dess olika delar


16

nu en stlvajer att ska anvndas i marin milj, behver den vara vlskyddad

Powerplast frn tillverkaren Certex passar bra (Figur 3.5) som gr

n mer stabil samt ger skydd mot bde inre slitage och korrosion. Fr att vajern ameter vara 32 mm. En sdan vajer

Det finns flera olika typer av balkar och konstruktionsrr, alla med sina fr- och nackdelar. Innan arbetet med det valda konceptet sattes igng, testades och jmfrdes

ller deras hllfasthet. Detta gjordes

stor belastning. Jag valde dardkonstruktionselement frn tillverkaren BE Group eftersom de har ett brett

. De tv vanligaste Profil I) och HEA (Europeisk bredflnsprofil A). IPE-

balken har en balken och har drfr bttre vridstyvhet (BE

. Den har ven en god motstndskraft mot knckning. HEB (Europeisk bredflnsprofil B), som r tjockare och tyngre n HEA, anvnds ocks (BE Group

HEB fr att undvika alltfr stor vikt.


17

De vanligaste profilerna p konstruktionsrr r kvadratiska rr, rektangulra rr och cirkulra rr (BE Group 2010). De fyrkantiga rren finns av typerna VKR (Varmformade KonstruktionsRr) och KKR (Kallformade KonstruktionsRr). Om rren r formade i varmt eller kallt tillstnd ger dem olika egenskaper. VKR har en homogen struktur fri frn inbyggda restspnningar. Egenskaperna blir likformiga genom hela tvrsnittet. KKR som r formade vid rumstemperatur fr ofta inbyggda restspnningar vilket gr att materialet kan sl sig vid exempelvis svetsning. De har ven strre hrnradie, vilket innebr vissa svetsbegrnsningar. VKR har en hgre kostnad n KKR, vilket r en nackdel, men har hgre lastbrande frmga och r formstabila vid svetsning (BE Group 2010). Drfr testades ett kvadratiskt och ett rektangulrt VKR. Cirkulra rr testades inte d kontaktytan med bojen skulle vara vldigt liten. Dessutom skulle svetsningen frsvras avsevrt p.g.a. rrens form.

Eftersom syftet var att hitta en standarddel jmfrdes dessa konstruktionselement i det material som de kan tillverkas i, nmligen stlsorten S355J2 (SS 2134-01), med s lika dimensioner som mjligt. De valda standarddimensionerna r:

HEA: bredd 280 mm, hjd 270 mm, flnstjocklek 13 mm, livtjocklek 8 mm IPE: bredd 135 mm, hjd 270 mm, flnstjocklek 10.2 mm, livtjocklek 6.6

mm Rektangulrt VKR: bredd 140 mm, hjd 260 mm, tjocklek 8 mm. Kvadratiskt VKR: bredd/hjd 140 mm, tjocklek 8 mm.

FEM-analysen utfrdes i SolidWorks Simulation. Resultatet fr HEA-balken visas i Figur 3.7 (spnningen) och Figur 3.8 (skerhetsfaktorn). Deformationsskalan i Figur 3.7 r stor (ca 1:65) fr att kunna se deformationer. I verkligheten r deformationen vldigt liten och om den verkliga deformationen (skala 1:1) visas, kommer den inte att synas i bild. I figur 3.8 har skalans vre grns satts till 10 fr att f bttre frgupplsning i omrden med lg skerhetsfaktor.

De tv ytorna vid balkens ndar fixerades (fast inspnning) och en spridd kraft p 500 kN applicerades p flnsytan (Figur 3.7). I simuleringen fixerades alla konstruktionselement p exakt samma stt fr att kunna jmfra resultaten. Den strsta spnningen uppstr vid den ytan som hade fixerats, men balken kommer inte att fixeras p samma stt p bojen. Dessutom kommer en balk i verkligheten att belastas med mindre n 500 kN, eftersom belastningen kommer att frdelas p fyra balkar. Drfr r resultaten av denna simulering en verdrift jmfrt med hur det kommer att se ut i slutndan. Resultat av hllfasthetsanalysen fr alla konstruktionselement som testades framgr av Tabell 3.2. HEA-balken gav det bsta resultatet och kan klara av en kraft p 500 kN. Det maximala spnningen som uppstod i balken var 295.5 MPa, vilket r lgre n materialets strckgrns som ligger p 355 MPa. Den minsta skerhetsfaktorn blev 1.2 (Figur 3.8).


18

Figur 3.7. Spnning (von Mises) som uppstr i en HEA balk vid belastning med 500 kN. Pilarna representerar den applicerade kraften.

Figur 3.8. Skerhetsfaktorn i HEA balk vid belastning med 500 kN.

Tabell 3.2. Resultaten av FEM-analys av de olika konstruktionselement. Max spnning

(MPa) Min

skerhetsfaktor Max frskjutning

(mm) Vikt (kg/m)

HEA 295.5 1.2 7.663 76.4 IPE 592.4 0.6 15.56 36.1 VKR

kvadratiskt 1478.4 0.24 67.65 32.6

VKR rektangulrt

633.4 0.56 15.73 47.7


19

3.3.3 Val av plt till plattan

Plattans storlek bestmdes till 30x1000x1000 mm fr att ge tillrckligt med plats fr infstningen av vajerterminalen, samt fr att en person ska kunna st dr och jobba med monteringen. Plattan br inte vara fr stor fr att spara p materialkostnader. Den minsta standardstorleken r 2000x1000 mm, och denna kommer att kapas p mitten fr att f den nskade storleken. P detta stt behver inte plattorna specialtillverkas.

3.4 Konceptutveckling

I denna del av rapporten beskrivs hur det valda konceptet utvecklades steg fr steg. Utvecklingen pgick parallellt med CAD-modellering och FEM-analys. FEM-analysen av hela modellen anvndes fr att se var konstruktionen behver frndras eller frstrkas, samt var mindre material kan anvndas fr att minimera vikten och spara p kostnaderna.

3.4.1 Balkstd

Eftersom bojen har ett elliptiskt tvrsnitt, behvs det en konstruktionsdel som kan ge en bra frbindelse mellan bojen och balkarna fr att verfra lasten frn balken till bojen. Ett balkstd konstruerades som passar bojen p undersidan och som r plan p ovansidan s att balkarna kan svetsas fast ovanp (Figur 3.9). Detta kommer att ge en jmnare kraftfrdelning jmfrt med om balkarna skulle svetsas direkt p bojen. Nr bojen ska byggas behves ett extra skikt plt p de stllena dr balksden ska svetsas fr att frstrka bojen.

Figur 3.9. Balkstd som placeras p bojen.

3.4.2 Utformning och fstning av vajerterminalen

Tv varianter av vajerterminal och dess infstning freslogs. Bda freslagna vajerterminaler r av typen gngad terminal. Den ena varianten har en sexkantig frdjupning i ena nden fr att kunna hlla i den med ett verktyg s att den inte kan rotera under monteringen (se modell 2 i Figur 3.10). Terminalen placeras i en fstanordning som r utformat som en cylinder med fyra triangelformade ben (modell 3 i Figur 3.10). Fr att fsta terminalen skruvas ett invndigt gngat lock p medan terminalen frhindras frn att rotera m.h.a. verktyget. Locket r utformat som en cylinder med en rund platta vid ena nden (modell 1 i Figur 3.10). I plattans mitt finns ocks ett sexkantigt hl som verktyget ska passa i. Bde fstanordningen


och locket har sex hl fr att skruva ihoatt allt skulle monteras p bojen p frst i generatorn p havets botten, och sedan lyftanordning. Drfr freslogs en annan typ av vajerterminal och infstning.

Figur 3.10. Den frsta varianten p invndig gnga, 2 vajerterminal, 3

Den andra varianten gr ut p att ovanfr fstanordningen. varianten, men saknar terminalen frn att rra sig upptunder plattan. Fr att kunna lyfta som lyftverktyget ska passa i. Fr att underltta monteringen finns ett hl som placerat precis dr terminalen ska komma ut genom plattanDetta hl ska anvndaplattan medan muttern skruvas fastfstanordningens cylinder i horisontell riktning. ute i havet och drfr valde vi den fr att anvnda i d

Figur 3.11. Den andr(1 fstanordningen, 2


och locket har sex hl fr att skruva ihop dessa delas s att de fixerasatt allt skulle monteras p bojen p land, men det framkom senare att vajern stts fast

p havets botten, och sedan kopplas till bojen ute i havet. Drfr freslogs en annan typ av vajerterminal och infstning.

Den frsta varianten p fstningen av vajerterminalen (1 vajerterminal, 3 fstanordningen).

Den andra varianten gr ut p att en gngad terminal spnns fast medfstanordningen. Fstanordningen har samma form som i den frsta

varianten, men saknar de sex hlen (modell 1 i Figur 3.11). Fr att frhindraterminalen frn att rra sig uppt genom hlet i plattan stts den fast med en mutter

. Fr att kunna lyfta vajerterminalen har den ett gngat hl i ena nden som lyftverktyget ska passa i. Fr att underltta monteringen finns ett hl som

precis dr terminalen ska komma ut genom plattan (modell 2 i Figur 3.11)as fr att fra in en stng och hlla terminalen p plats ovanfr

plattan medan muttern skruvas fast. Ett motsvarande hl gr igenom stanordningens cylinder i horisontell riktning. Denna variant r enklare

och drfr valde vi den fr att anvnda i det utvalda konceptet.

a varianten p fstningen av vajerterminalen , 2 vajerterminal).


20

p dessa delas s att de fixeras. Det var tnkt land, men det framkom senare att vajern stts fast

kopplas till bojen ute i havet m.h.a. en . Drfr freslogs en annan typ av vajerterminal och infstning.e

fstningen av vajerterminalen (1 lock med

spnns fast med en mutter Fstanordningen har samma form som i den frsta

Fr att frhindra ts den fast med en mutter

vajerterminalen har den ett gngat hl i ena nden som lyftverktyget ska passa i. Fr att underltta monteringen finns ett hl som r

(modell 2 i Figur 3.11). en stng och hlla terminalen p plats ovanfr tt motsvarande hl gr igenom

Denna variant r enklare att montera et utvalda konceptet.

a varianten p fstningen av vajerterminalen


21

3.4.3 Stiffener

Vajern pressas i ena nden inuti en vajerterminal. P grund av den stndiga rrelsen som vgorna ger upphov till kommer vajern att bjas skarpt i skarven mellan vajern och vajerterminalen, som visas i Figur 3.12 A. Detta kommer att innebra mycket slitage. Fr att dmpa vajerns rrelse och minska vinkeln mellan vajern och gngterminalen valde vi att anvnda en bend stiffener (Figur 3.12 B). Stiffeners har vanligtvis en konisk form och r gjorda av polyuretan. De r rigida i toppen och flexibiliteten kar gradvis mot konens nde.

Eftersom vajerterminalen stts fast med tv muttrar, den ena under plattan, behver stiffener tillverkas med en frsnkning dr muttern kan rymmas i stiffeners versta del.

Figur 3.12. A Bjning av vajern som r pressad inuti en vajerterminal (rd markering visar var slitage sker), B - Dmpning av vajerns rrelse m.h.a. en stiffener.

3.4.4 CAD-modellering och FEM-analys

CAD-modeller konstruerades fr alla delar som ingr i konstruktionen. Fr detaljritningar och sammanstllningsritningar, se Bilaga 1. Materialet som anvndes fr de olika konstruktionsdelarna beskrivs i avsnitt 3.5. Dimensionerna ndrades ngot allt eftersom konstruktionen testades m.h.a. FEM-analys.

Frst placerades fyra balkar p balkstd i kors ovanp bojen. En sdan placering valdes fr att frdela kraften p hela bojen och gra bojen stabil. Till frsta testet valdes balkar med 280 mm bredd (fr vriga dimensioner se Bilaga 2). Den kvadratiska plten placerades p balkarna i mitten. I mitten p plattan gjordes ett strre hl fr vajerterminalen och tta mindre hl fr att skruva fast stiffener p undersidan.

Stiffener exkluderades frn analysen d den inte bidrar till konstruktionens hllfasthet. Bojen exkluderades ocks. I simuleringen fixerades undersidan av balkstden precis som de kommer att vara fixerade p bojen, och hela konstruktionen belastades med en kraft nert p 500 kN som drar i vajerterminalen.


22

Hllfasthetsanalysen visade att den maximala spnningen uppgick till 1 837.5 MPa (Figur 3.13), viket r lngt ver materialets brottgrns som ligger mellan 510 och 680 MPa (detta avser 3 mm nominell tjocklek), och ger en skerhetsfaktor p endast 0.15 (Figur 3.14). Den maximala spnningen uppstr kring det centrala hlet i plattan. Detta sker p.g.a. att fstanordningen r placerad p s stt att det trycker ner precis dr plattan r som svagast, d.v.s. runt hlet.

Figur 3.13. Spnning (von Mises) som uppstr vid belastning med 500 kN. Den maximala spnningen r 1 837.5 MPa.

Figur 3.14. Skerhetsfaktorn vid belastning med 500 kN.

Fr att frdela kraften lngre ut frn plattans mittpunkt, kades lngden p fstanordningens ben, samtidigt som tjockleken kades. Detta hade nstan ingen effekt p den maximala spnningen, som minskades till 1 718.5 MPa. Det blev tydligt att fstets utformning behvde ndras helt.


23

Fr att minska spnningen i plattans mitt (kring hlet) och frdela kraften ver hela plattan, omarbetades fstanordningens modell s att den lyftes ovanfr plattan. Den nya modellen togs fram m.h.a. SCAMPER metoden och ndringarna som gjordes presenteras i Tabell 3.3.

Tabell 3.3. Frbttring av fstanordningen m.h.a. SCAMPER. SCAMPER Frbttring Frdel

Erstta Platta triangelformade ben ersattes med fyrkantsstng

Hela anordningen lyfts och belastningen tas bort frn

plattans mittpunkt Anpassa Centrala blockets form

anpassades Lttare att svetsa stngerna

Eliminera/minska Centrala blockets lngd minskades

Blocket utgr inte lngre ngon belastning p plattan; det gr t mindre material

Med den nya fstanordningen sgs en annan mjlighet att fsta vajerterminalen. Istllet fr att anvnda en mutter under plattan som hamnar inuti stiffener, kan terminalen utformas s att den har en stopp som kommer att hamna under fstanordningen och p s stt frhindra terminalens vertikala rrelse. Vajern kommer att dras upp ur vattnet m.h.a. ett specialutformat verktyg. Fr att hlla terminalen p plats nr verktyger slpper den s att en mutter kan skruvas p, finns ett runt hl bde i terminalen och i fstanordningens block. Nr verktyget drar upp vajern, kommer en rundstng att sttas in i hlet. De nya modellerna fr fstanordningen och vajerterminalen syns i Figur 3.15.

Figur 3.15. A - Fstanordningen fr vajerterminalen, B - vajerterminal.

FEM- analysen utfrdes p hela konstruktionen med den nya fstanordningen. Den maximala spnningen som kraften gav upphov till blev i detta fall kraftigt minskad till 315.3 MPa, vilket r under materialets strckgrns p 355 MPa. Den strsta spnningen uppstod i de benen som r placerade ovanp de verst balkarna. Den minsta skerhetsfaktorn blev 1.12 (Figur 3.16). Detta innebr att denna konstruktion skulle kunna klara av en kraft p 560 kN.


24

Figur 3.16. Skerhetsfaktorn vid belastning av konstruktionen med den nya fstanordningen med 500 kN.

Det framgick av simuleringen att balkar med mindre dimensioner n 280 mm bredd (fr vriga dimensioner se Bilaga 2) skulle kunna anvndas, vilket skulle minska konstruktionens vikt. FEM-analysen visade att balkarna med 220 mm bredd r fr svaga d den maximala spnningen i balken blev 509.8 MPa. Dremot skulle 240 mm breda balkar klara av 500 kN. Dessa balkar har fljande vriga dimensioner: hjd 230 mm, flnstjocklek 12 mm, livtjocklek 7.5 mm.

Simuleringen visade ven att placeringen av fstanordningens ben inte var optimal. Fr att utnyttja I-balkarnas styrka maximalt placerades benen s att de hamnade p balkarnas liv. Denna frndring gjorde att den maximala spnningen som konstruktionen utsattes fr minskades till 256.1 MPa (mellan de nedre balkarna och balkstden, se Figur 3.17). Den minsta skerhetsfaktorn blev drmed 1.39.

Figur 3.17. Skerhetsfaktorn vid belastning med 500 kN.


25

Figur 3.18 visar platser i konstruktionen dr skerhetsfaktorn r mindre n 1.5. De svagaste stllena r p kanten mellan de undre balkarna och balkstd.

Figur 3.18. Skerhetsfaktor under 1.5. Platser dr skerhetsfaktorn r under 1.5 r markerade med rd frg. Till hger visas en frstoring.

3.5 Materialval

3.5.1 Konstruktionsstl

Konstruktionsstl anvnds oftast i brande element ssom balkar. Konstruktionsstl r en stltyp som r anpassad fr att kunna svetsas och bearbetas. Olika typer av konstruktionsstl har olika kolhalt, allt mellan 0.1 och 0.6 % (Ullman 2003). Kolet kar stlets hllfasthet, men samtidigt frsvrar svetsning och bearbetning. Drfr anvnds ofta konstruktionsstl med kolhalten under 0.2 %. Svetsbara konstruktionsstl har en strckgrns mellan 235 och 460 MPa (Johansson 2009).

Stlet som konstruktionsdelarna ska tillverkas av behver ha bra hllbarhet och svetsbarhet. Drfr valdes ett traditionellt konstruktionsstl S355. De olika konstruktionsdelarna ska tillverkas i S355 (SS 2172). Denna stlsort har en strckgrns p 355 MPa och en brottgrns p 510-680 MPa (avser 3 mm tjocklek) (Ullman 2003). Rundstngen som ska hlla vajerterminalen p plats vid monteringen ska tillverkas i S235 (SS 1312).

3.5.2 Polyuretan

Polyuretan (PUR) r ett plastmaterial som kan ha mnga olika egenskaper beroende p tillverkningsmetod och tillsatser och finns nstan verallt runt omkring oss, frn klder till bddmadrasser och byggisolering. Exempel p PURs egenskaper r mjuk, seg, isolerande, stttlig, slitstark, saltvattentlig, ljuddmpande etc.

Stiffener ska tillverkas av PUR. Stiffeners funktion krver att den r gjord av ett flexibelt material. Dessutom ska materialet vara slitsarkt och kunna motst korrossion.


26

4 Hllfasthetsberkningar fr svetsfrband

Kapitel 4 presenterar hllfasthetsberkningar som baseras p teorin beskriven i avsnitt 2.2.

4.1 Berkning av brfrmga hos klsvetsar p fstanordningen fr vajerterminal

Flera delar i konstruktionen behver svetsas ihop, t.ex. ska benen i fstanordningen svetsas p det centrala blocket. Formler fr berkningen av brfrmga hos klsvetsar beskrivs i kapitel 2.3.1. Innan berkningar kunde utfras bestmdes a-mttet till 5 mm, effektiv svetslngd rknades ut och krafternas komposanter undersktes. Som effektiv svetslngd rknades svetsarna p stngens bda lngsidor.

4.1.1 Svetsfrband mellan fstanordningen fr vajerterminal och plattan

Figur 4.1 visar hur fstanordningens stng r placerad p plattan. Balkens dimensioner r 40x40 mm.

Figur 4.1. Fstanordningens stng som str p plattan. Den tjocka linjen r svets runt stngen, x r svetsens lngd, b r stngens bredd, och a r en vinkel p 35.

Effektiv svetslngd p bda lngsidor r:

)*+, -. /&&'-0 1/&233 Kraften som verkar p stngen delades in i komposanter (Figur 4.2). Den maximala kraften p 500 kN som kan verka p bojen delas p fstanordningens fyra ben, s F r lika med 125 kN.


27

Figur 4.2. Krafter som verkar p stngen.

Fx ger upphov till skjuvspnning (parallellt med svetsriktningen), och Fy ger upphov till spnningskomposanterna 2 och (se Figur 2.4 i kapitel 2.3.1).

*+, -. 1- &'-0 01'-245

6 78* -. 1- &'9 1&'-245 6 1&'- 1&

- 1/& 1/:'/2;


28

Bda dimensioneringsvillkoren r uppfyllda, vilket innebr att svetsens brfrmga r tillrcklig fr att klara av 125 kN.

Svetsens brfrmga blir:

/02;


29

Fy ger upphov till skjuvspnning (parallellt med svetsriktningen), och Fx ger upphov till spnningskomposanterna 2 och (se Figur 2.4 i kapitel 2.3.1).

78* --. 1- &'-0 01'-245

6 *+, --. 1- &'9 1&'-245 01'- 1&

- (0'0 1/-'(2;


30

5 Tillverkningsmetoder I detta kapitel presenteras de olika metoderna som ska anvndas vid tillverkningen av konstruktionens komponenter.

5.1 Frsning

Balkstden och centrala blocket p fstanordningen kan tillverkas genom frsning.

Frsning r en skrande bearbetningsmetod och fungerar p s stt att arbetsstycket bearbetas av ett eller flera roterande skr som rr sig i olika led. Arbetsstycket kan antingen vara fixerat eller ocks rra sig i frhllande till verktyget.

5.2 Formgjutning

Formgjutning r en tillverkningsmetod dr ett flytande material hlls i en gjutform som tillverkas enligt bestmda mtt och fr sedan stelna. Tillverkningsprocessen innehller flera steg: tillverkning av gjutformen, smltning av material, avgjutning, stelning, urslag och efterbehandling (Svenska Gjuterifreningen 2012).

Vajerterminalen kommer att formgjutas enligt bestmda dimensioner. Eftersom formgjutning r den vanligaste metoden fr att tillverka detaljer i polyuretan, kommer denna metod ocks att anvndas fr att tillverka stiffener (UW-ELAST 2012).

5.3 Ytbehandling

Eftersom bojen ska befinna sig ute i havet som r en mycket korrosiv milj (korrosivitetsklass C5-M enligt SS-EN ISO 12944-2), behver konstruktionen ett starkt skydd mot korrosionen (Ullman 2003). Det finns mnga olika typer av korrosionsskydd. Den vanligaste rostskyddsmetoden fr stlkonstruktioner r mlning dr ett ttt skikt av frg gr att stlet inte fr kontakt med vattnet runtomkring. Rostskyddsmlning vljs fr att det r det billigaste sttet att skydda mot korrosion.

Ett frgsystem bestr av tv eller flera skikt med frg, vanligen grundfrg och tckfrg, och ibland ven mellanfrg. De olika frgerna har olika funktioner. Grundfrgens funktion r att vta stlytan och ge vidhftning, att flja blsterprofilen och skydda stlet frn omgivningen. Mellanfrgen bygger upp skikttjockleken, ger en bttre vidhftning mellan grundfrg och tckfrg och ger isolering mot fukt och froreningar. Ibland kan ett till skikt grundfrg eller tckfrg anvndas som mellanfrg. Tckfrgen ger frg och glans, skyddar grundfrgen, isolerar stlytan och ger en slt yta som blir ltt att rengra.

Det r viktigt att rtt frgsystem och skikttjocklek vljs s att livslngden blir s lng som mjligt och fr att minska behovet av underhll. Det r ocks viktigt att frbehandla stlet p rtt stt fr att uppn ett bra rostskydd. I frbehandlingen ingr rengring av stlytan (t.ex. med hett vatten) som dels tar bort froreningar som kan


31

orsaka korrosion och dels gr att frgen kan fastna bra p ytan. Efter tvtten utfrs blstring.

Det finns flera appliceringsmetoder. Den vanligaste metoden r hgtryckssprutning (Stlbyggnadsinstitutet 2012). Denna metod r ocks den lmpligaste metoden fr vr konstruktion d konstruktionen r stor och kan ytbehandlas snabbast med denna metod.

Rehmac AB r det fretaget som anlitas inom Lysekilsprojektet fr att utfra rostskyddsmlning av bojar. Samma fretag kan utfra mlning av hela konstruktionen (se offert i Bilaga 3). Enligt rekommendationer frn Rehmac AB br vi anvnda frgtypen Inerta 165 som passar bra fr stlkonstruktioner i korrosivitetsklass C5-M. Inerta 165 r en tvkomponent epoxibelggning med lg halt av lsningsmedel. Den fster bra p blstrade ytor och har en vldigt bra ntninghllfasthet. Enligt Rehmac AB hller frgen i ca 15 r.

Rostskyddsmlningen kommer att ske nr hela konstruktionen r ihopsvetsad. I underhllet som planeras vart femte r ingr kontroll av skador p ytbehandlingen. r rostskyddet skadat s pass mycket att bojen behver mlas om helt eller delvis, mste den lyftas ur vattnet fr ommlning. Om konstruktionen behver lagas genom svetsning, kan frgen skrapas bort p det omrdet dr svetsning ska utfras. Det lagade omrdet kan sedan mlas om p plats.


32

6 Montering I detta kapitel beskrivs hur vajerterminalen och stiffener monteras p konstruktionen. Hr ges ven frslag p utformningen av lyftverktyget.

6.1 Utfrande av monteringen

Fr att kunna montera ihop alla delar mste monteringen ske i en viss ordning som beskrivs nedan.

Frst och frmst placeras generatorn p ett fundament p botten av havet. Drefter ska bojen kopplas till generatorn genom vajern. Innan vajern kan kopplas till generatorn mste den g igenom en stiffener. Exakt hur kopplingen till generatorn ser ut ingick inte i detta examensarbete (se kapitel 1.3). Nr vajern r kopplad till generatorn r nsta steg att snka lyftverktyget genom hlet i plattan ner i vattnet och koppla det till vajerterminalen fr att lyfta den ur vattnet. Frslag p verktyg beskrivs i nsta avsnitt. Vajerterminalen lyfts upp tills stoppet fr kontakt med undersidan av det centrala blocket p fstanordningen. Det finns ett hl som gr genom blocket och ett hl genom vajerterminalen. Dessa hl gjordes fr att verktyget ska kunna kopplas av utan att vajerterminalen ramlar ner. Innan verktyget kopplas av frs en rundstng i hlet som hller terminalen p plats inne i fstanordningen. Nr verktyget har slppt skruvas muttern fast och stngen tas bort. Det sista steget r att lyfta upp stiffener och skruva fast den i plattan. Hela monteringen presenteras i Figur 6.1.

Figur 6.1. Monteringen av vajerterminalen i fstanordningen.


33

6.2 Utformningen av lyftverktyget

En av avgrnsningarna i detta arbete var att konstruera verktyg (se kapitel 1.3). Drfr ges hr endast frslag p hur verktyget kan utformas. Vajerterminalen har konstruerats s att den har ett gngat hl (M36) p ena nden dr verktyget ska passa. Drfr ska lyftverktyget vara gngad utvndigt och kunna rotera fr att kunna skruvas fast i vajerterminalen. Verktyget ska dessutom klara av en arbetslast p 15 ton, vilket motsvarar den kraften som krvs fr att lyfta vajern frn generatorn.


34

7 Analys och diskussion Syftet med detta examensarbete var att fresl ett nytt fungerande koncept fr infstningen av bojen till vajern som gr frn generatorn. Det framtagna konceptet skiljer sig mycket frn den befintliga konstruktionen med kttingar.

7.1 Hllbarhet

FEM-analysen har visat att konstruktionen kommer att klara av en kraft p 500 kN utan att deformeras. Den bsta skerhetsfaktorn som kunde uppns i konstruktionen r 1.39, vilket innebr att konstruktionen kan belastas maximalt med 695 kN. I brjan av projektet stlldes inget krav p minsta skerhetsfaktorn, kravet var att konstruktionen skulle kunna motst en kraft p 500 kN. Havsvgor som har registrerats p vstkusten har vanligen en kraft p mellan 200 och 300 kN, det r bara i extrema fall som vgor med 500 kN kraft uppstr. Konstruktionen kommer sledes att pfrestas med en kraft p 500 kN endast i extrema fall. Drfr anses en skerhetsfaktor p 1.39 som tillrcklig, men borde nd frbttras (se avsnitt 8.1).

Simuleringen av den slutliga konstruktionen visade att den strsta spnningen uppstod dr balken har kontakt med balkstdets vassa kant. Det hnder att verdrivna spnningskoncentrationer skapas vid FEM-analys. De kallas singulariteter och kan uppst just kring vassa kanter och hrn (Huebner 2001). Det r mjligt att de hgsta spnningarna i konstruktionen r singulariteter. Sdana skarpa kanter kommer inte finnas i den verkliga konstruktionen. Istllet blir det avrundningar i form av svetsstrngar.

7.2 Vikt

Vikten fr varje komponent i konstruktionen berknades m.h.a. SolidWorks och presenteras i Tabell 7.1.

Tabell 7.1. Berkning av konstruktionens totala vikt. Komponent Vikt (kg) HEA balkar 1 377 Fyrkantsstng 40 mm 22.8 Rundstng 15 mm 0.345 Plt 233 Wireterminal 14.4 Fstanordningens centrala block

7.3

Stiffener 10 Total ca 1 665

Jmfrt med den befintliga konstruktionen med kttingar har den nya konstruktionen en stor vikt. Detta r dock inget problem eftersom bojen kan klara av en sdan belastning.


35

7.3 Kostnad

Kostnaderna fr de olika komponenterna berknades enligt gllande prislista frn BE Group (Be Group 2012), samt prisfrslag frn Certex, UW-ELAST och Rehmac AB. Certex sljer stllinor samt tillverkar vajerterminaler p bestllning, UW-ELAST tillverkar stiffeners, och Rehmac AB utfr rostskyddsmlning. Kostnadskalkylen presenteras i Tabell 7.2. Kostnaden fr monteringen och svetsningen ingick inte i berkningarna eftersom den var svr att uppskatta.

Tabell 7.2. Berkning av konstruktionens totala kostnad. Komponent Pris per enhet Total

vikt/lngd/yta Total kostnad (kr)

HEA balkar 15 kr/kg 1387 kg 20 805 Fyrkantsstng 40 mm 15:50 kr/kg 22.8 kg 353.4 Rundstng 15 mm 12:65 kr/kg 0.345 kg 4.4 Plt 13:35 kr/kg 240 kg 3 204 Stlvajer 700 kr/m 15 m 10 500 Wireterminal 1 000 kr/st 1 000 Fstanordningens centrala block

?

Stiffener 1 250 kr/st 1 250 Rostskyddsmlning 400 kr/m2 Ca 35 m2 14 000 Total ca 51 117

Materialet till den befintliga konstruktionen med kttingar kostar ca 23 500 kr. Den nya konstruktionen r ungefr dubbelt s dyr (se Tabell 7.2). andra sidan krver den befintliga konstruktionen att service utfrs tv gnger per r. Varje service kostar ca 25 000 kr. Konstruktionen i detta arbete kan p s stt anses vara mer ekonomisk, eftersom den kommer att krva mycket mindre service. Tillverkningskostnaderna kan minskas i framtiden om egen verkstad anvnds fr att till exempel frsa egna detaljer.


36

7.4 Motsvarar konstruktionen kravspecifikationen?

Den slutliga konstruktionen utvrderades mot kravspecifikationen som sattes upp i brjan av examensarbetet och presenteras i kapitel 1.4. Utvrderingen presenteras i Tabell 7.3.

Tabell 7.3. Jmfrelse av den slutliga konstruktionen med kravspecifikationen Krav Motsvarar Motsvarar ej Motsvarar

delvis Konstuktionen ska vara s enkel som mjligt.

De olika infsningarna ska ha s f rrliga delar som mjligt.

Infstningar till bojen ska klara av en kraft p 500 kN.

Konstruktionen ska mjliggra underhllsintervall p 5 r.

Har goda frutsttningar

Utg frn standardbalkar och -fstdon.

Rostfritt material ska undvikas.

Konstruktionen ska anpassas s att arbete kan utfras p bojen.

Konstruktionen r enkel ven om den skiljer sig mycket frn den befintliga konstruktionen. Rrliga delar saknas helt, vilket var ett av de viktigaste kraven. Ntning r ett stort problem med den befintliga konstruktionen och syftet var att hitta en lsning p det. Detta problem kommer att frsvinna med den nya konstruktionen. Behovet av underhllsarbete kommer ocks att minskas och underhllsintervallet kommer att ka betydligt. Konstruktionen har goda frutsttningar att klara sig utan underhll i 5 r. Eftersom det ingr en stlplatta i konstruktionen, blir det lttare att utfra arbete p bojen. En person kan st p plattan, det finns plats fr en maskin, man kan ven hmta med sig flera lttare plattor och lgga ovanp balkarna om det underlttar arbetet. Fr att hlla kostnaderna s lga som mjligt har rostfria material undvikits, istllet kan alla konstruktionsdelar rostskyddsmlas.

Den enda punkten i kravspecifikationen som motsvaras delvis av konstruktionen r att utg frn standardbalkar och fstdon. Eftersom vajerterminalen behver specialtillverkas i alla fall, var det svrt att hitta standardfstdon. Drfr konstruerades en egen fstanordning som delvis mste specialtillverkas.


37

7.5 Slutsats

Detta examensarbete resulterade i en ny konstruktion som motsvarar kravspecifikationen ganska bra. Konstruktionen blir tyngre, men det finns inga rrliga delar dr ntning kan uppst, och den kommer att krva mindre underhll n vad som behvs till den befintliga konstruktionen. Frutsatt att rtt verktyg kommer att konstrueras, r konstruktionen ltt att montera. I konstruktionen anvnds en vajer istllet fr kttingar, vilket innebr mindre problem med korrosionen d vajern r skyddad med plastskick.


38

8 Frslag p fortsatta underskningar Efter genomfrandet av detta examensarbete finns det en del man kan jobba vidare p med den freslagna konstruktionen. Hr beskrivs ven ngra andra ider som kan vara intressanta att utforska i framtiden.

8.1 Frstrkning av konstruktionen

Den bsta skerhetsfaktorn som uppnddes i simuleringen r 1.39. Det vore bra att frstrka konstruktionen ytterligare fr att f en bttre skerhetsfaktor. Frstrkningen kan gras genom att gra ndringar i de olika konstruktionsdelarna och deras placering och genom att anvnda andra material.

8.2 Frbttra balkstd

Under detta examensarbete har det inte funnits tid att jobba s mycket p balkstden. De har konstruerats som massiva stlstycken. De kanske blir tillrckligt starka om de grs ihliga, vilket kan underskas. Detta kommer att minska p materialet.

8.3 Konstruera lyftverktyg

Konstruktionen krver att vajern ska lyftas genom hlet i plattan fr att kunna montera vajerterminalen i fstanordningen. Vi har tnkt oss ett roterande verktyg som kan skruvas fast i det gngade hlet p vajerterminalen. Att konstruera ett passande verktyg kan vara en uppgift fr att annat examensarbete.

8.4 Testa en annan variant av samma koncept

Mot slutet av detta examensarbete har en ny variant av konceptet vuxit fram (Figur 8.1), som inte kunde testas p.g.a. tidsbrist. I denna variant r balkarna placerade bde p bojens ovansida och undersida. I mitten mellan balkarna finns tv plattor och en cylinder som vajerterminalen gr igenom. Det r mjligt att denna konstruktion skulle vara stabilare och ha bttre hllfasthet. Det skulle vara intressant att jmfra de tv konstruktionerna.

Figur 8.1. En annan variant av koncept 3.


39

8.5 En helt annan lsning

I brjan hade vi flera ider p mjliga konstruktionslsningar som vi inte gick vidare med. En mjlighet r att anvnda block i konstruktionen. En annan mjlighet r att anvnda ngon sorts lager, men d krvs att frst komma p hur lagret ska isoleras fr att skydda det frn saltvatten.


40

9 Referenser

9.1 Litteratur

Baxter, M. (1996). Product design, Chapman & Hall, (ISBN 0-412-63230-6)

Huebner, K. H. (2001). The Finite Element Method for Engineers, Wiley-Interscience, (ISBN 0-471-37078-9)

Lundh, H. (2000). Grundlggande hllfastetslra, Instant Book AB, (ISBN 978-91-972860-2-2)

Ullman, E. (2003). Materiallra, Liber AB, (ISBN 91-47-05178-7)

9.2 Internet

BE Group (2010). Byggstlshandboken (utgva oktober 2010), http://www.begroup.com/sv/BE-Group-sverige/Nyheter/Nyheter--info/Senaste-nytt/Byggstalshandboken--Ny-folder/ (2012-03-10)

BE Group (2012). Prislista Nr 3-2012, http://www.begroup.com/sv/BE-Group-sverige/Nyheter/Prislistor/ (2012-03-10)

Certex (2012). Lininfstningar, http://www.certex.se/se/teknisk-beskrivning/andbeslag__15014 (2012-03-10)

Fortum (2012). Vgkraft, http://www.fortumkampanj.se/blogg/vagkraft/ (2012-02-01)

Johansson, B. (2009). Stlbyggnadsinstitutets seminarium Eurokod 3-1-8 Svetsfrband, http://www.sbi.se/uploaded/filarkiv/Svetsforband-Bernt%20Johansson.pdf (2012-03-05)

Lnsstyrelsen Uppsala Ln (2012). Vgkraft, http://www.lansstyrelsen.se/uppsala/Sv/miljo-och-klimat/klimat-och-energi/klimat--och-energistrategi/fornybar-energi/vagkraft/Pages/default.aspx (2012-03-01)

Naturvrdsverket (2012). Fossila brnslen, http://www.naturvardsverket.se/Start/Verksamheter-med-miljopaverkan/Energi/Fossila-branslen/ (2012-02-01)

Stlbyggnadsinstitutet (2012). Rostskydd, http://www.sbi.se/uploaded/dokument/files/Rostskydd.pdf (2012-03-01)

Svenska Gjuterifreningen (2012). Introduktion till gjutning, http://www.gjuteriforeningen.se/svenska/forskn/introduktion-till-gjutning/ (2012-03-10)

http://www.begroup.com/sv/BE-Group-sverige/Nyheter/Nyheter--info/Senaste-nytt/Byggstalshandboken--Ny-folder/http://www.begroup.com/sv/BE-Group-sverige/Nyheter/Nyheter--info/Senaste-nytt/Byggstalshandboken--Ny-folder/http://www.begroup.com/sv/BE-Group-sverige/Nyheter/Prislistor/http://www.begroup.com/sv/BE-Group-sverige/Nyheter/Prislistor/http://www.certex.se/se/teknisk-beskrivning/andbeslag__15014http://www.certex.se/se/teknisk-beskrivning/andbeslag__15014http://www.fortumkampanj.se/blogg/vagkraft/http://www.sbi.se/uploaded/filarkiv/Svetsforband-Bernt%20Johansson.pdfhttp://www.sbi.se/uploaded/filarkiv/Svetsforband-Bernt%20Johansson.pdfhttp://www.lansstyrelsen.se/uppsala/Sv/miljo-och-klimat/klimat-och-energi/klimat--och-energistrategi/fornybar-energi/vagkraft/Pages/default.aspxhttp://www.lansstyrelsen.se/uppsala/Sv/miljo-och-klimat/klimat-och-energi/klimat--och-energistrategi/fornybar-energi/vagkraft/Pages/default.aspxhttp://www.naturvardsverket.se/Start/Verksamheter-med-miljopaverkan/Energi/Fossila-branslen/http://www.naturvardsverket.se/Start/Verksamheter-med-miljopaverkan/Energi/Fossila-branslen/http://www.sbi.se/uploaded/dokument/files/Rostskydd.pdfhttp://www.gjuteriforeningen.se/svenska/forskn/introduktion-till-gjutning/


41

UW-ELAST (2012). Formgjutning, http://www.uw-elast.se/produktionsmetod/formgjutning (2012-03-10)

http://www.uw-elast.se/produktionsmetod/formgjutninghttp://www.uw-elast.se/produktionsmetod/formgjutning


42

Bilagor Bilaga 1: Ritningar

Bilaga 2: Standardkomponenter

Bilaga 3: Offert frn Rehmac AB

BILAGA 1 Ritningar

42 X

5

8

9

72 X

32 X

6

28 X

10

11

1

11 1 rundstng SS 1312-00 - 25010 1 093438_64-mattssons9 1 terminal_med_stopp SS 2172-00 001-0038 1 fste SS 2172-00 0027 2 Beam-HEA-240-BE-Group SS 2134-01 12006 1 stiffener polyuretan 001-0045 1 Platta SS 2172-00 001-0024 2 Beam-HEA-240-BE-Group SS 2134-01 50843 2 Beam-HEA-240-BE-Group SS 2134-01 52022 8 nedre_balkstd SS 2172-00 001-0011 1 boj2 SS 2172-00 -

Pos nr Antal Titel/Benmning, beteckning Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens Lngd mm

D

E

F

C

1 2 3 4

B

A

321 5

C

D

4 6 7 8

A

B

BladRitningsnummer

Ritad avKonstruerad av

Titel/Benmning

Storlek

Tillverkning granskad av Granskad av

1:50Projektnamn

UtgvaDetta dokument fr inte kopieras utan garens skriftliga tillstnd, innehllet fr inte delgestill tredje part eller anvndas i ngot obehrigt ndaml. vertrdelse leder till tal.

Vyplacering SkalaGenerell yt-jmnhet Ra

Generell toleransSS ISO 2768-1

ProjektledareMaterial

gare

Godknd av - datum Massa [g] Densitet [g/mm3]

boj_assembly

1(2)A3

FM

Rafael WatersKoppling av boj till generator i ett vgkraftverk

001 A1

mFM

SolidWorks Student Edition. For Academic Use Only.

A A

B

SECTION A-A SCALE 1 : 50

DETAIL B SCALE 1 : 10

D

E

F

C

1 2 3 4

B

A

321 5

C

D

4 6 7 8

A

B

BladRitningsnummer

Ritad avKonstruerad av

Titel/Benmning

Storlek

Tillverkning granskad av Granskad av

1:50Projektnamn

UtgvaDetta dokument fr inte kopieras utan garens skriftliga tillstnd, innehllet fr inte delgestill tredje part eller anvndas i ngot obehrigt ndaml. vertrdelse leder till tal.

Vyplacering SkalaGenerell yt-jmnhet Ra


ProjektledareMaterial

gare

Godknd av - datum Massa [g] Densitet [g/mm3]

FM

boj_assembly

2(2)A3

FM


001 A1

m


1:10

1

2

Svetsas runtom

2 4 faste_ben SS 2172-00 002-0021 1 faste SS 2172-00 002-001

Pos nr Antal Titel/Benmning, beteckning Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens

C

2 31 4

B

A

D

E

FSS 2172-00

Titel/Benmning

BladUtgva

Ritad av Godknd av - datumKonstruerad av

Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

r in

te k

opie

ras

utan

ga

rens

skr

iftlig

a til

lst

nd, i

nneh

lle

t fr

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvn

das

i ng

ot o

beh

rigt

ndam

l.

vertr

del

se le

der t

ill

tal.

Skala

gare

Storlek

Generell yt-jmnhet, Ra

Massa [g] Densitet [g/mm3]

Projektledare

0.01 m30170


002 A1A4 1(1)

1:20

fste

Granskad av

FMFMMaterial

Tillverkning granskad av

Projektnamn


90

25

A A

1:5

125

125

4x30

4x45

16

64

SECTION A-A

C

2 31 4

B

A

D

E

FSS 2172-00

Projektnamn

Titel/Benmning

BladUtgva


Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

r in

te k

opie

ras

utan

ga

rens

skr

iftlig

a til

lst

nd, i

nneh

lle

t fr

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvn

das

i ng

ot o

beh

rigt

ndam

l.

vertr

del

se le

der t

ill

tal.

Skala

gare

Storlek

Generell yt-jmnhet, Ra

Massa [g] Densitet [g/mm3]

Projektledare

0.01 m7301.06


002-001 A1A4 1(1)

1:2

faste

Granskad av

FMFMMaterial

Tillverkning granskad av


40

40

500

35 55

C

2 31 4

B

A

D

E

FSS 2172-00

Projektnamn

Titel/Benmning

BladUtgva


Ritningsnummer


Vyplacering

Det

ta d

okum

ent f

r in

te k

opie

ras

utan

ga

rens

skr

iftlig

a til

lst

nd, i

nneh

lle

t fr

inte

del

ges

till t

redj

e pa

rt el

ler a

nvn

das

i ng

ot o

beh

rigt

ndam

l.

vertr

del

Documents

Koncept för koppling av boj till generator i ett vågkraftverkuu.diva-portal.org/smash/get/diva2:538228/FULLTEXT01.pdf · Examensarbete: KONCEPT FÖR KOPPLING AV BOJ TILL GENERATOR