Vaihdekotelon FEM-analyysi

Abstract

Opinnäytetyön tarkoitus oli tutkia laivan vinssin vaihteen kotelorakenteen käyttäytymistä ja mallintaa valettavuudeltaan ja toiminnallisuudeltaan realistinen kotelomalli. Työn taustalla oli laivan hinausvinssin vaihteen tuotespesifikaatio, joka sisältää yksityiskohtaista tietoa vaihteen vaatimuksista. Ongelmana suuren kokoluokan vaihteen kotelorakenteessa on kotelorakenteen käyttäytymisen ymmärtäminen suurilla kuormituksilla. Opinnäytetyössä kotelorakenteen käyttäytymistä tutkittiin FEM-analyyseistä saaduilla tuloksilla ja rakennetta muokattiin analyysitulosten lisäksi valuteknisten vaatimusten mukaiseksi.

Tuloksissa käsiteltiin neljän mallivaihtoehdon FEM-analyyseistä saatuja tuloksia. Rakennelaskelmien tuloksista tarkasteltiin rakenteen jännityksiä ja muodonmuutoksia. Kotelon käyttäytymistä simuloitiin myös lämpökuormien ja laakerikuormien avulla. Tulokset osoittivat selkeästi suuren kokoluokan rakenteen käyttäytymisen ja geometristen ominaisuuksien merkityksen jännitysten ja muodonmuutosten suhteen.

Opinnäytetyön päätelmissä pohdittiin kotelorakenteen käyttäytymisen syitä. Laakeripesien tukirivat pienentävät kotelorakenteen muodonmuutoksia. Suuri seinämävahvuus, isot pyöristykset ja suurimuotoiset tukirivat pienentävät jännityshuippuja sekä tasoittavat kotelorakenteen jännityskenttää.

The objective of this thesis was to study the behavior of a ship winch gear casing and also create a 3D-CAD model with functionality and castability of a realistic gear casing. This thesis is based on a ship winch gear product specification, which includes detailed information of the gearbox requirements. The problem with big sized gearbox casing is to understand the behavior of the casing under great stress. This was conducted using FEM-analysis. The structural modification was done by using the results from the FEM-analysis and by researching the requirements of a big sized cast iron product.

Four different concept models were analyzed and compared in the results. The principal stresses and deformations of the structures were inspected from the results of static structural calculations. In addition to the static structural simulation, the models were calculated using a thermal-stress simulation, which includes thermal expansion in addition to bearing loads as boundary conditions. The results point out the behavior of a large cast gear casing and the relation of the geometrical properties, stresses and deformations.

The conclusions, lead from results, include reasons for the behavior of the casing. The shapes supporting bearing housing reduce the deformations of the casing. Large wall thickness, big rounds and big sized support shapes reduce the peak stresses and even out the stress field of the casing.