H-palan keventäminen CH7- puomiin

Abstract

Tässä opinnäytetyössä suunnitellaan John Deere Forestry Oy:lle tilauksesta H-pala harvesterin CH7-puomiin. H-pala yhdistää pääpuomin taittopuomiin ja tukee siten koko puomin rakennetta. Työnantajan puolesta työntekoon annettiin ainoastaan kolme selkeää linjausta. Kappaleen tuli olla nykyistä kevyempi, sekä valmistusmenetelmän toivottiin olevan muu kuin valaminen. Tämän lisäksi kappaleen kokoonpanon piti olla mahdollista ilman hitsaamista.

H-palan kevennys ratkaistiin topologian optimoinnilla, jolloin alkuperäisestä kappaleesta poistetaan tietokoneavusteisesti lujuuslaskentaohjelmalla mahdollisimman paljon ylimääräistä materiaalia. Jotta lopputuloksesta saatiin mahdollisimman kevyt, valittiin käytettäväksi materiaaliksi normaalia lujempi ultraluja rakenneteräs. Työssä käytettiin lujuuslaskennassa Altair Inspire -ohjelmaa, joka on suunniteltu erityisesti topologian optimointiin.

Tuloksista selvisi, että H-palan keventäminen on mahdollista. Topologian optimoinnin jälkeen optimoitujen alueiden massasta oli jäljellä noin 40 prosenttia alkuperäiseen verrattuna, mutta muoto oli liian orgaaninen valmistettavaksi muutoin kuin 3D-tulostamalla. Tämän takia kappale mallinnettiin uudestaan käyttäen ohjeena lujuuslaskentaohjelman laskemaa muotoa. Lopullisen kappaleen massa oli alkuperäiseen verrattuna huomattavasti alhaisempi.

The purpose of this thesis was to design an H-piece for a forest harvester's CH7 boom for John Deere Forestry Oy. The H-piece connects the main boom to the folding boom and thus supports the entire boom structure. The guidelines for how the work should be done were relatively loose except for three predefined requirements. The part had to be lighter than the current one and the manufacturing method would be some other than casting. In addition to this, assembly of the part had to be possible without welding.

The work on the thesis began through topology optimization, which means that as much excess material as possible was removed from the original part with the help of a strength calculation program. In order to make the result as light as possible, high-strength structural steel was chosen as the material to be used. It has stronger attributes than normal steel, which made it perfect for the application. The strength calculation program used was Altair Inspire, which is designed especially for topology optimization. Studying the use of the program proved to be relatively difficult due to the limited availability of teaching material, so the proper usage required a great deal of experimenting.

The results indicate that it is possible to lighten the H-piece. After topology optimization about 40% of the mass of the tooled areas remained compared to the original, but the shape was too organic to be manufactured without 3D printing. Because of this, the part was remodeled using the shape calculated by Inspire as a guide. The mass of the final part was significantly lower than the original.