Komposiittivaipan moderni optimisuunnittelu ja toteutus

Tavoitteena tällä tutkimuksella on soveltaa modernin optimisuunnittelun keinoja komposiittimuovisen nestesäiliön lieriömäisen vaipparakenteen suunnittelemiseksi optimaalisen tyydyttäviksi valmistustekniikan ja kustannusten kannalta. Kuormituksia on kahdenlaisia. Säiliön sisällä on neste, joka tuottaa hydrostaattisen painekuorman ja järjestelmään kytketty puhallin tuottaa ulkoisen ylipaineen. Säiliöt ovat pystysäiliöitä ja ne tukeutuvat alustaan suoran pohjalaatan avulla. FEM- malleissa kuoren alaosat ovat jäykästi kiinnitettyjä ja yläosissa säteensuuntaiset siirtymät ovat estettyjä. Materiaaleiksi kuoreen on valittu kahdella eri menetelmällä lujitetut komposiittimateriaalit. Kantavan kerroksen toimintona on kantaa kuormat. Sulkukerros toimii korroosiosuojana ja sen lujuus on kantavaa kerrosta pienempi. Keinoina käytetään ensin innovatiivista suunnittelua optimaalisten lähtövaihtoehtojen ideoimiseksi ja valitsemiseksi jatkokehittelyä varten. Tavoitteena on asiakkaan tyytyväisyyden maksimointi huomioiden tuotteen kustannukset ja kesto. Yhtenä suunnittelun keinona on käytetty kuoriteoriaa ja komposiittien materiaalimalleja. Kestoehtoina on sovellettu komposiiteille soveltuvia kriteerejä. Toisena keinona käytetään FEM-laskentaa. Elementtityypiksi on valittu kaksiulotteinen kuorielementti, jossa on ortotrooppisen ainemallin mukaiset materiaaliominaisuudet. Jännitystuloksien merkittävyys keston kannalta selvitettiin Tsai-Hillin kriteerillä. Tuloksina saatiin ensin innovoitua rakenteelle kaksi päävaihtoehtoa, joita alettiin optimoida. Valitussa ratkaisussa on huomioitu kokonaisuus ja eri yksityiskohdat, kuten paino, jäykisteet kustannustehokkuus, valmistusnopeus, laatu, hävikit, päästöt, lujuus ja kilpailukykyinen myyntihinta. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetyt keinot ovat hyvin tehokkaita ja niillä voidaan suunnitella ja toteuttaa komposiittirakenteita, jotka tyydyttävät optimaalisesti loppukäyttäjän teknis- taloudelliset vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että standardin ja FEM-laskennan ennustukset ovat lähellä toisiaan sylinterimäisillä kuoriosilla, mutta standardit suosittavat suurempia mittoja itse jäykisteille.

The objective of this research is to apply modem optimum design methods to design cylindrical shell construction of hydrostatic composite vessels which satisfy optimally technical performance manufacturing and economical cost requirements. Two types of loading are considered. The liquid inside the vessel generates hydrostatic pressure. A suction fan connected in to the system produces external pressure. The vessels are vertical and have a bottom plate resting on a foundation. In FEM models the lower edge of the shell is fixed and in the upper edge only the radial displacements are fixed. The shell materials are function of the composite materials, which have been reinforced by two different methods. The load-carrying layer is to bear the loads. The function of the corrosion resistant layer is to protect the load bearing layer. At first innovative design heuristics is used in order to generate several alternatives from which the optimal ones are chosen for further development. The goal is to maximise customer satisfaction by taking into account production costs and endurance. Shell theory and constitutive material models of composites and failure criteria have been applied in the design. FE method is applied using the MSC Nastran program. A two-dimensional plate element incorporating orthotropic material model, has been chosen for. The stress outputs are used as inputs to Tsai-Hill failure criterion to obtain risk estimates. As a result two main options for the structure were innovated and then optimised. The chosen solution takes optimally into account all desired requirements like cost efficiency, production speed, quality, waste, strength and competitive sales price. In summary, it can be concluded that in order to design and produce composite structure which satisfy optimally the technical and economic requirements of the end user the present methodology appears to be quite an efficient one. Furthermore, it of the results show that the predictions of the standards and FEM agree in continuous portions like cylinders but standards recommend larger dimensions at stiffeners.