TY - THES

T1 - Auslegung und Konstruktion eines Harvesterkopfs in Leichtbauweise

AU - Oppliger, Fritz

N1 - gesperrt bis 17-10-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Die Anforderungen der Forstindustrie für anwendungsorientierten Leichtbau zur Gewichtseinsparung können durch den Einsatz hochfester Materialen, speziell angepasster Fertigungstechnologien und einer spannungsoptimierten Gestaltung der Bauteile erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Betriebsbedingungen des Harvesterkopfs Woody 60 mit Hilfe experimenteller Lastanalysen und Beschleunigungsmessungen als Basis für die begleitende numerische Berechnung bestimmt. Ausgewählte Komponenten mit hohem Leichtbaupotential werden hinsichtlich ihrer Gestalt, des Materials und des Fertigungsprozesses optimiert. Die im Betrieb auftretenden lokalen Strukturbelastungen werden mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) via Funkübertragung an signifikanten Stellen gemessen und als Lastkollektiv ausgewertet. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und zur entsprechenden Definition der numerischen Randbedingungen wurde eine begleitende numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation durchgeführt. Ergebnis dieser Betriebslasterfassung und der numerischen Auswertung der Grundlastfälle stellt die Kenntnis der höchstbeanspruchten bzw. hinsichtlich Leichtbaupotential ausnutzbaren Komponenten des Harversterkopfs dar. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Ausnutzung des Optimierungspotentials der Forstgreifer, der Antriebswalzeneinheit und der Rahmenkonstruktion. Unter der Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie den herstellungs- und montagebedingten Randbedingungen konnte für den Forstgreifer eine Stahlgusskonstruktion entwickelt und umgesetzt werden. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus wird der iterative Topologieoptimierungsprozess zur Reduktion des Gewichtes gegenüber der Ausgangsgeometrie unter Berücksichtigung einer maximalen Steifigkeit als Zielfunktion angewandt. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung am Walzenarm und der Vorschubwalze wurde als Designvorschlag unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Gesichtspunkte umgesetzt. Der Rahmen wurde mit Unterstützung einer numerischen Spannungsanalyse konstruiert. Das Zusammenspiel aus konstruktiven Leichtbau-Erfahrungswerten und die iterative Topologieoptimierung an ausgewählten Komponenten führte zu einer rund 12 %igen Gewichtsreduktion des neudesignten Harvesterkopfs gegenüber der Ausgangsvariante .

AB - Die Anforderungen der Forstindustrie für anwendungsorientierten Leichtbau zur Gewichtseinsparung können durch den Einsatz hochfester Materialen, speziell angepasster Fertigungstechnologien und einer spannungsoptimierten Gestaltung der Bauteile erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Betriebsbedingungen des Harvesterkopfs Woody 60 mit Hilfe experimenteller Lastanalysen und Beschleunigungsmessungen als Basis für die begleitende numerische Berechnung bestimmt. Ausgewählte Komponenten mit hohem Leichtbaupotential werden hinsichtlich ihrer Gestalt, des Materials und des Fertigungsprozesses optimiert. Die im Betrieb auftretenden lokalen Strukturbelastungen werden mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) via Funkübertragung an signifikanten Stellen gemessen und als Lastkollektiv ausgewertet. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und zur entsprechenden Definition der numerischen Randbedingungen wurde eine begleitende numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation durchgeführt. Ergebnis dieser Betriebslasterfassung und der numerischen Auswertung der Grundlastfälle stellt die Kenntnis der höchstbeanspruchten bzw. hinsichtlich Leichtbaupotential ausnutzbaren Komponenten des Harversterkopfs dar. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Ausnutzung des Optimierungspotentials der Forstgreifer, der Antriebswalzeneinheit und der Rahmenkonstruktion. Unter der Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie den herstellungs- und montagebedingten Randbedingungen konnte für den Forstgreifer eine Stahlgusskonstruktion entwickelt und umgesetzt werden. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus wird der iterative Topologieoptimierungsprozess zur Reduktion des Gewichtes gegenüber der Ausgangsgeometrie unter Berücksichtigung einer maximalen Steifigkeit als Zielfunktion angewandt. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung am Walzenarm und der Vorschubwalze wurde als Designvorschlag unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Gesichtspunkte umgesetzt. Der Rahmen wurde mit Unterstützung einer numerischen Spannungsanalyse konstruiert. Das Zusammenspiel aus konstruktiven Leichtbau-Erfahrungswerten und die iterative Topologieoptimierung an ausgewählten Komponenten führte zu einer rund 12 %igen Gewichtsreduktion des neudesignten Harvesterkopfs gegenüber der Ausgangsvariante .

KW - lightweight

KW - structural optimization

KW - strain gauges

KW - topology optimization

KW - Leichtbau

KW - Topologieoptimierung

KW - Fertigungstechnologien

KW - Beschleunigungsmessung

KW - Dehnmessstreifenmessung

KW - Struktursimulation

M3 - Diplomarbeit

ER -