University of Oulu

DFMA-prosessi lujista teräksistä valmistettujen keveiden rakenteiden suunnittelussa

Saved in:
Author: Niemi, Henri1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201803081329
Language: Finnish
Published: Oulu : H. Niemi, 2018
Publish Date: 2018-03-09
Physical Description: 81 p.
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Niskanen, Juhani
Mäntyjärvi, Kari
Reviewer: Niskanen, Juhani
Mäntyjärvi, Kari
Description:

Tiivistelmä

Tässä työssä tutkittiin valmistus- ja kokoonpanoystävällisen suunnitteluperiaatteen soveltamista ultralujista teräksistä valmistettujen keveiden rakenteiden suunnittelussa. Työn tärkein tavoite oli selvittää, millaisen suunnitteluprosessin avulla ultralujien terästen materiaaliominaisuudet voidaan parhaiten siirtää tuotteiden ominaisuuksiksi. Tuotteissa tavoiteltavia ominaisuuksia olivat rakenteen lujuus, keveys ja kustannustehokkuus. Tämän vuoksi oli määriteltävä, mitkä asiat korostuvat suunnittelun näkökulmasta ultralujan teräksen tapauksessa. Lisäksi työn tavoitteena oli edistää ultralujien terästen käyttöä lisäämällä erityisesti Pohjois-Suomessa toimivien pk-yritysten tietämystä ultralujista teräksistä.

Työ koostuu kirjallisuustutkimuksesta ja soveltavasta osuudesta. Kirjallisuustutkimuksessa perehdyttiin erityisesti DFMA-suunnittelumenetelmään ja sen etuihin verrattuna perinteiseen suunnittelutapaan. Lisäksi kartoitettiin ultralujien teräslaatujen ominaisuuksia sekä valmistusmenetelmiä, joiden avulla ominaisuudet voidaan hyödyntää. Kirjallisuustutkimuksessa esiteltiin myös tärkeimmät suunnittelussa huomioitavat lujuustekniset näkökulmat sekä rakenteen geometrian optimointi. Kirjallisuustutkimuksen lopuksi esiteltiin uusi DFMA-suunnittelu -menetelmään pohjautuva lähestymistapa, joka on kehitetty ultralujia teräksiä käyttävien pk-yritysten tarpeisiin. Uutta lähestymistapaa nimitetään laajennetuksi DFMA-prosessiksi.

Kirjallisuustutkimuksen perusteella DFMA-suunnittelumenetelmän käytössä on keskeistä jakaa suunnitteluprosessi konseptisuunnitteluun ja yksityiskohtaiseen suunnitteluun. Konseptisuunnitteluvaiheessa on tärkeintä asettaa tuotevaatimukset täsmällisesti, luoda tuoterakenteesta yksinkertainen sekä valita kustannustehokkaimmat valmistusmenetelmät sekä materiaalit. Konseptisuunnittelun tuloksena on täsmällinen tuotekonsepti, joka kehitetään yksityiskohtaisessa suunnittelussa viimeistellyiksi tuote- ja valmistussuunnitelmiksi. Yksityiskohtaisessa suunnittelussa on tärkeintä optimoida tuotteen osat valittujen valmistusmenetelmien kannalta, jotta eri menetelmien ominaisuudet ja kapasiteetti voidaan hyödyntää.

Käytännön suunnittelutyössä ultralujien terästen kohdalla korostuvat stabiliteettiongelmien ja väsymisvaurioiden estäminen, tietokoneavusteisten suunnittelutyökalujen käyttö ja rakenteen geometrian optimointi sekä riittävä valmistusmenetelmien tuntemus. Erityisesti laserhitsaus ja -leikkaus, vesisuihkuleikkaus sekä särmäys soveltuvat hyvin ultralujien terästen työstömenetelmiksi.

Laajennettu DFMA-prosessi sisältää yleisen DFMA-menetelmän mukaiset suunnitteluvaiheet ja tavoitteet. Konseptisuunnittelussa tavoitteisiin pyritään erityisesti yksinkertaistetun 3D-mallinnuksen, nopeiden lujuusanalyysien sekä topologian optimoinnin avulla. Yksityiskohtainen suunnittelu on iteratiivinen kehitysprosessi, jossa hyödynnetään 3D-suunnittelu- sekä FEA -ohjelmistoja.

Työn soveltava osuus sisältää suunnitteluraportin, jolla havainnollistettiin laajennetun DFMA-prosessin käyttämistä suunnittelutyön opastajana. Raportissa esitettiin ultralujasta teräksestä valmistetun ralliauton prototyypin rungon suunnitteluprosessin vaiheet. Soveltavan osuuden sisältämien esimerkkien avulla kirjallisuustutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää pk-yrityksissä suunniteltaessa keveitä tuotteita ultralujista teräksistä.

see all

DFMA-process in lightweight high strength steel structure design

Abstract

In this thesis, the use of the Design for Manufacture and Assembly (DFMA) design method in design of lightweight Ultra-High Strength Steel (UHSS) structures was investigated. The most important target of this study was to solve that what kind of a design process is needed so that the material properties of ultra-high strength steels can be most effectively changed into product features. Required product features were strength, lightness and cost-effectiveness. Because of this it was necessary to define which aspects are highlighted with the UHSS materials from the point of view of design work. Another target of this thesis was to distribute knowledge of the ultra-high strength steels and to expand their use in small and medium enterprises (SME) located in northern Finland.

The study consists of the literary research section and applied section. In the literary section, particularly the common DFMA design method and its benefits compared with the traditional design methodology were surveyed. Also, the properties of the UHSS materials and suitable manufacturing methods were discussed. The most important aspects of mechanics of materials and optimization of structure’s topology were introduced in the literature section. Presented viewpoints are essential to be considered in design work. A new DFMA-based approach developed for needs of SMEs using ultra high strength steels was presented in the latter part of the literary section. The new approach is called the extended DFMA process.

On the grounds of the literary study it is important to divide a design process into a concept planning phase and a detailed design phase in the use of the common DFMA design method. In the concept planning phase, the most important things to do are to set clear product requirements, simplify the product structure and to choose the most cost-effective manufacturing methods and materials. The concept planning results in an exact design concept which is developed into a finished product and manufacturing plan during the detailed design phase. In the detailed design phase, the most important thing is to optimize parts of the product from the point of view of chosen manufacturing methods so that the features and capacity of the different methods can be utilized.

In practical design work with UHSSs, the prevention of stability problems and fatigue failures, the use of Computer-Aided Engineering (CAE) tools, the optimization of structure’s geometry and sufficient knowledge of manufacturing methods are highlighted. Especially laser welding, laser cutting, abrasive water jet cutting and press brake bending are suitable work methods for UHSS.

The extended DFMA process contains the design phases and objectives which are in accordance with the common DFMA method. In the concept planning the objectives are tried to achieve with the help of the simplified 3D modelling, fast analyses of strength and the use of topology optimization. The detailed design phase is an iterative development process where 3D design and FEA software are utilized.

The applied section of this thesis contains a planning report which was used to illustrate the use of the extended DFMA process as a guide in design work. In the report, the design process stages of a rally car prototype frame manufactured from UHSS were presented. With the help of the examples of the applied section the results of the literature research section can be utilized in SMEs when designing light products from ultra-high strength steels.

see all

Subjects:
Copyright information: © Henri Niemi, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.