Faculty of Technology and Maritime Sciences Kongsberg Institute of Engineering HØYSKOLEN I SØRØST-NORGE BØYE & TORSJONS MÅLEVERKTØY Fagkode: SFHO3201 År: 2016 KONSEPTDOKUMENT v1.0 Utarbeidet ved Gruppe Kongsberg Institutt for Ingeniørfag ved Høgskolen i Sørøst- Norge Ola Marius Weum, Jurate Schønning, Liridon Bicaj og Magnus Brattensborg Dokumenthistorikk Versjon Utgitt Dokument- ansvarlig 1.0 LB Godkjent av Sider Side 1
Innholdsfortegnelse Tabelliste... 2 Dokumenthistorie... 3 Relaterte dokumenter... 4 Definisjoner og forkortelser... 4 1.0 Innledning... 4 2.0 Prosjektmodell... 6 2.1 Utvelgelseskriterier for installasjon... 6 2.2 Utvelgelseskriterier for måleverktøy... 7 2.3 Vekting og rangering... 8 2.4 Bakgrunn for konseptbeskrivelser... 9 2.2.1 Bakgrunn for installasjons konsepter... 11 3.0 Resultater... 18 3.1 Vurdering av tvilsomme alternativer... 18 3.1.1 Måleverktøy: Trykktransmitter... 18 3.1.2 Måleverktøy: Lasermåler... 18 3.1.2 Måleverktøy: Laberatoriets kamera... 18 3.1 Pugh-matrise for torsjon installasjon... 19 3.1 Pugh-matrise for torsjon måleverktøy... 20 4.0 Diskusjon... 21 5.0 Konklusjon... 22 5.1 Konklusjon for installasjonkonseptet... 22 5.2 Konklusjon for målingverktøyet... 23 6.0 Referanser... 24 Tabelliste Tabell 1: Dokumenthistorie... 4 Side 2
Tabell 2: Gruppemedlemmer-initialer... 4 Tabell 3: Virksomheter... 4 Tabell 4: Utvalgt konseptreferanse... 8 Tabell 5: Konsept for installasjon... 9 Tabell 6: Konsept for måleverktøy... 10 Tabell 7: Konsept nr. 1 for installasjon... 11 Tabell 8: Konsept nr. 2 for installasjon... 12 Tabell 9: Konsept nr. 3 for installasjon... 13 Tabell 10: Konsept 1 for måleverktøy... 14 Tabell 11: Konsept 2 for måleverktøy... 16 Tabell 12: Konsept 3 for måleverktøy... 16 Tabell 13: Konsept 4 for måleverktøy... 17 Tabell 14: Utvalgt konseptreferanse... 19 Tabell 15: Utvalgt konseptreferanse... 20 Tabell 16: Konsept nr. 2 for installasjon... 22 Tabell 17: Konsept 1 for måleverktøy... 23 Dokumenthistorie Versjon Dato endret Utarbeidet av Godkjent av Beskrivelse 1.0 14.03.2016 LB OW Opprettet dokument Side 3
Tabell 1: Dokumenthistorie Relaterte dokumenter Kravspesifikasjon v1.0 Definisjoner og forkortelser Navn: Liridon Bicaj Magnus Brattensborg Jurate Schønning Ola Marius Weum Tabell 2: Gruppemedlemmer-initialer Initialer: LB MB JS OMW Navn: Høgskolen i Sør-Øst Norge Tabell 3: Virksomheter Forkortelse: HSN 1.0 Innledning For å tilfredsstille et behov eller løse et problem, trenger man en plan eller en idé. I vårt tilfelle betyr dette å komme opp med et konsept. I konseptfasen er det viktig å vurdere flere Side 4
ulike konsepter opp mot hverandre slik at man velger riktig løsning for prosjektet. Hensikten med denne gjennomføringen er å effektivisere vår egen tidsbruk i forbindelse med kreativ utfoldelse, ved å utnytte det vi kan finne av relevant informasjon om tidligere oppfinnelser som inspirasjonskilde. Dokumentet har også til hensikt å synliggjøre for oppdragsgiver hvilken designmessing retning arbeidet tar, og de beslutninger som prosjektgruppa trekker ved planleggingsstadiet. Gruppa vil ta for seg et utvalg konsepter og gjøre et endelig valg ved hjelp av en pugh matrise. Side 5
2.0 Prosjektmodell Her vil prosjektets konsepter bli beskrevet i detalj, hvor ulemper og fordeler vil stå i fokus. Dette kapittelet gir en beskrivelse av de aktiviteter, prosedyrer og verktøy som anvendes i forbindelse med konseptutvelgelsen. For å gjennomføre mest mulig kvalifiserte analyser og beslutninger er det i aktivitetsplanen avsatt tid til litteraturstudier rundt ulike strekk,bøying og torsjon-prinsipper generelt. Det er satt av tid til opplæring av ulik målingværktøy. Gjennom dette arbeidet kartlegges prinsipper og ideer ved hjelp av verdensveven(type wikipedia osv), lærebøker og/eller vitenskapelige tidsskrifter. Eksterne ressurspersoner konsulteres også for å diskutere muligheter, begrensninger og kompromisser som er av relevans for oppgaven. 2.1 Utvelgelseskriterier for installasjon Her vil prosjektets konsepter bli beskrevet i detalj, hvor ulemper og fordeler vil stå i fokus. Det vil bli gitt en enkel beskrivelse av forskjellige typer måleverktøy og installasjonskonsepter. Et konseptbeskrivelse skal ikke gå på langt nær som ett komplett systembeskrivelse. Vurderinger som gjøres i henhold til utvelgelseskriteriene må foregå i innenfor mer eller mindre abstrakte tolkningsrammer. Det benyttes et utvalg av utvelgelseskriterier som brukes for å fordere om konseptalternativet kan tas i bruk. Disse er formulert som følger: 1. Kostnad: Blir dette for dyrt? 2. Design/Demonstrerbarhet: Konseptets evne til å få produktet til å se bra ut. «Et imponerende design» 3. Byggeprosess: Blir konstruksjonen for avansert. 4. Sikkerhet: Kan konseptalternativet gjøres på en sikker måte, og ikke føre til skader på brukere? Side 6
5. Brukervennlighet: Er konseptalternativet brukervennlig? Eller er det for vanskelig å tas i bruk av studentene? 6. Holdbarhet: Kan konseptalternativet tas i bruk i lang tid fremover? Eller krever konseptet stadig oppgradering. 7. Nøyaktige målinger: Gir konseptalternativet mulighet til å hente ut nøyaktige resultater ved labforsøk. 2.2 Utvelgelseskriterier for måleverktøy 1. Kostnad: Blir måleinstrumentet for dyrt? 2. Design/Demonstrerbarhet: Konseptets evne til å få produktet til å se bra ut. 3. Sikkerhet: Kan måleverktøyet installeres på en sikker måte, og ikke føre til skader på brukere? 4. Brukervennlighet: Er måleverktøyet brukervennlig? Eller er det for vanskelig å tas i bruk av studentene? 5. Holdbarhet: Kan måleverktøyet tas i bruk i lang tid fremover? Eller krever konseptet stadig oppgradering. 6. Nøyaktige målinger: Gir måleverktøyet mulighet til å hente ut nøyaktige resultater ved labforsøk. 7. Måleverktøyets evne til å måle både bøying og torsjon. Side 7
2.3 Vekting og rangering Følgende er en tabell over utvalgt konseptreferanse: Kriterium: Vekting (1-10): Kostnad 8 Design/Demonstrerbarhet 4 Byggeprosess 8 Sikkerhet 10 Brukervennlighet 9 Holdbarhet 7 Nøyaktige målinger 9 Fraktstørrelse 8 Robusthet 8 Realiserbarhet 10 Tabell 4: Utvalgt konseptreferanse Side 8
2.4 Bakgrunn for konseptbeskrivelser Følgende vises bakgrunn for konseptalternativer; for både installasjon og måleverktøy. Konsepttabell for installasjon. Installasjon: Konsept nr. Egenskaper: Kraft translasjon Armer system Kraft type Form på kraft Figur Lloyd eller Tinius Armer: Antall Funksjonalitet Beskrivelse: f.eks bøying/tøying På hvilken aparat maskien skal brukes Antall armer Funksjon på armer ILLUSTRASJON Tabell 5: Konsept for installasjon Side 9
Konsepttabell for måleverktøy Måleverktøy: Konsept nr. Type Kraft type Beskrivelse: Beskrivelse av måleverktøy Hva slags måleverktøy Form på kraft f.eks bøying/tøying Figur: ILLUSTRASJON Tabell 6: Konsept for måleverktøy Side 10
2.2.1 Bakgrunn for installasjons konsepter Installasjon: Konsept nr. 1 Egenskaper: Kraft translasjon Armer system Kraft type Torsjon Lloyd eller Tinius Begge Armer: Antall 1 Funksjonalitet Endre trykkraft til torsjon kraft Figur Beskrivelse: Strekkmaskinen senker med en gitt kraft. Denne kraften overfører til torsjon kraft på ønsket prøvestykke. Fordeler med dette konseptet er at mesteparten av kraften man trykker med vil bli overført i til torsjon kraft. En ulempe som vil være at det kan bli en vridespenning i kraftarmen som blir påført trykkspenning som igjen kan føre til unøyaktige resultater. Tabell 7: Konsept nr. 1 for installasjon Side 11
Installasjon: Konsept nr. 2 Egenskaper: Figur Kraft translasjon Armer system Kraft type Torsjon Lloyd eller Tinius Begge Armer: Antall 2 Funksjonalitet Endre trykkraft til torsjon kraft Beskrivelse: Strekkmaskinen senker med en gitt kraft. Denne kraften overfører til torsjon kraft på ønsket prøvestykke. Fordeler med dette konseptet er at mesteparten av kraften man trykker med vil bli overført i til torsjon kraft. Dette konseptet har vi to armer på hver side. Dette for å minske vridning i selve armene som blir påført en kraft i vertikal retning. Konseptet her bygger videre på Konsept 1.0 hvor vi oppdaget på FEM analysene at det ville forekomme noen vridninger i topplaten og i armene som går vertikalt ned. Derfor har vi her to armer som gir en god symmetri og minsker vridningen. Tabell 8: Konsept nr. 2 for installasjon Side 12
Installasjon: Konsept nr. 3 Egenskaper: Figur Kraft translasjon Tannhjul system Kraft type Torsjon Lloyd eller Tinius Begge Tannhjul: Antall 2 Funksjonalitet Endre trykkraft til torsjon kraft Beskrivelse: Dette designe laget vi tannhjul som skulle være festet til to rack som ble pressen ned av Lloyd strekkmaskin. Fordelen med dette konseptet er at man kan vri prøven som er festet til installasjonen flere grader rundt en ved stenger. Ulempen med dette konseptet er at når det blir påført en kraft mellom tannhjulene og racket vil racket bli presset utover. Vi må da ha en ramme eller noe for å holde racket på plass og det vil oppstå friksjon mellom rammen og racket som vil gå utover nøyaktigheten i målingene våre. Tabell 9: Konsept nr. 3 for installasjon Side 13
2.2.2 Bakgrunn for måleverktøy konsepter Trykk er en grunnleggende faktor i mekanikken. Når en kraft virker på et objekt fører dette til deformasjoner i objektet. Ved en belastning som gir elastisk deformasjon, vil den resulterende spenning (stress) og trykket (strain) være lineært relatert med elastisitetsmodulen for materialet. Måleinstrumenter for et prosjekt der testmåling av et objekt står i fokus avhenger av valgt metode, måleparametere, type objekt og ønsket resultat. Testmålinger og beregninger er viktig for å forbygge svakheter i et produkts design og materialvalg. Måleverktøy: Konsept nr. 1 Type Strekklapp Kraft type Bøying og torsjon Beskrivelse: Strekklapper er måleelementer som utnytter at resistansen for en metalltråd eller et annet ledende materiale forandrer seg ved forlengelse. En vanlig utførelse for strekklappen er en motstand i form av en lang tråd innstøpt i et elastisk materiale som kan limes til et underlag. På denne måten vil den innstøpte tråden bli utsatt for lengdeendringer når strekklappens underlag blir utsatt for lengdeendringer. Figur: Tabell 10: Konsept 1 for måleverktøy Side 14
Måleverktøy: Konsept nr. 2 Type Transmittere Kraft type Bøying og torsjon Beskrivelse: Trykktransmittere er et måleverktøy som brukes til å måle trykkforandringer i et system. De består ofte av to innebygde separate enheter, et måleelement og en signalverdiomformer. Målelementet må tilpasses slik at det kan måle de prosessparameterne man ønsker (f.eks temp, trykk, posisjon, avstand), mens signalverdiomformeren omformer den målte parameteren til et elektronisk format. Vanlige signalformater er 4-20 ma (milliampere) og 2-10 Volt. (Det finnes også andre, som for eksempel 1-5 Volt.) 4-20 ma vil si at når målesensoren sender ut 4 ma, så indikerer dette en signalverdi på 0 % av det fulle måleområdet. For eksempel så kan dette indikere en tom tank. 4 ma vil da bety 0 % signal, 12 ma vil bety 50 % signal og 20 ma vil bety 100 % signal. Trykktransmittere kommer også i flere forskjellige varianter; Piezoresistiv, Tynnfilm og Halveffekt. Piezoresistivprinsippet fungerer ved at en membran bøyes ved trykk, dette skaper en endring av resistansen i kretsen. Er som oftest i bruk ved trykkområder opp til 16 bar. Tynnfilm består av en membran med et tynt belegg på den ene siden som gir samme effekt som piezoelementet, brukes ved trykkområder over 16 bar. Figur: Side 15
Tabell 11: Konsept 2 for måleverktøy Måleverktøy: Konsept nr. 3 Type Laboratoriets kamera - Allied Vision Technology Manta Kraft type Bøying og torsjon Beskrivelse: Skolen har allerede et måleverktøy i form av et kamera. I starten av prosjektet var dette noe prosjektgruppa kunne tenke seg å bruke videre. Vi fikk en gjennomgang på laboratoriet sammen med en av skolens faglærere, Lars Harald for nærmere innblikk av hvordan dette fungerte. Figur: Tabell 12: Konsept 3 for måleverktøy Side 16
Måleverktøy: Konsept nr. 4 Type Lasermåler Kraft type Bøying og torsjon Beskrivelse: Lasermålere er i prinsippet enkel å bruke. Man slår den på og den røde strålen måler avstand ned til prøven. Den kan måle med millimeternøyaktighet. Det er mulig å sette en lasermåler til å måle intervaller og med bluetooth kan man også overføre målingene til en app som heter DISTO sketch og etter dette tegne en skisse over hvordan prøven har blitt bøyd. Kan måle med en tiendels millimeters avstander. Figur: Tabell 13: Konsept 4 for måleverktøy Side 17
3.0 Resultater 3.1 Vurdering av tvilsomme alternativer 3.1.1 Måleverktøy: Trykktransmitter Trykktransmittere måler kun endringer i trykk, ikke spenninger. Vi vet allerede trykket (kraften) som påføres prøvestykket. Dette er derfor ikke et måleverktøy vi ønsker å ta med oss videre i dette prosjektet. 3.1.2 Måleverktøy: Lasermåler Lasermåler kan virke på bøyeprøver men vil ikke ha noen funksjon på en torsjon test. Det en laser kan måle er hvor mye en prøve beveger seg pr tidsenhet. Dette sammen med hvor mye kraft som påfører prøven i samme tidsintervall kan man regne ut duktiliteten i et materiale også hvor mye det bøyer seg før prøven eventuelt går til brudd. Laser er veldig brukervennlig, og kan enkelt monteres på vår konstruksjon. Om vi velger å bruke Lloyd strekkmasken så vil man ikke trenge en laser da denne maskinen også gir målinger på hvor langt man har strukket en prøve. Her er det jeg har funnet ut om enkle lasermålere som er innenfor vår prisklasse. De er veldig enkle å bruke men om vi bruker Lloyd så vil vi ikke trenge den oppgaven som en lasermåler kan gjøre for oss. 3.1.2 Måleverktøy: Laberatoriets kamera Skolen har allerede et måleverktøy i form av et kamera, «Allied Vision Technology Manta».I starten av prosjektet var dette noe prosjektgruppa kunne tenke seg å bruke videre. Vi fikk en gjennomgang på laboratoriet sammen med en av skolens faglærer, Lars Harald for nærmere innblikk av hvordan dette fungerte. Side 18
3.1 Pugh-matrise for torsjon installasjon Pugh Matrise Tosjonsinstallasjon Konsept nummer Kriterier Rating (1-10) 1 2 3 Kostnad 8 + + - Design (utseende) 4 s s s Byggeprossess (sammensetning) 8 + + - Sikkerhet 10 s s s Brukervennlighet 9 s s s Holdbarhet 7 s + s Nøyaktige målinger 9 - + - Sum av positive 2 4 0 Sum av negative 1 0 3 Sum der konseptene har lik grad 4 3 4 Vektet sum av positive 16 32 0 Vektet sum av negative 9 0 25 Tabell 14: Utvalgt konseptreferanse Side 19
3.1 Pugh-matrise for torsjon måleverktøy Pugh Matrise Måleverktøy Konsept nummer Kriterier Rating (1-10) 1 2 3 4 Kostnad 7 + + - - Design (utseende) 2 - - + + Sikkerhet 10 s s s s Brukervennlighet 8 + + - - Holdbarhet 8 + + + + Nøyaktige målinger 10 + - - - Sum av positive 3 2 1 1 Sum av negative 1 2 3 3 Sum der konseptene har lik grad 0 0 0 0 Vektet sum av positive 25 15 2 2 Vektet sum av negative 2 12 25 25 Tabell 15: Utvalgt konseptreferanse Side 20
4.0 Diskusjon Resultatene for installasjonen og måleverktøyet som oppgis gis i pugh-matrisen baserer seg på prosjektgruppas formuleringsevne og vurderingsevne av de ulike utvelgelsekriteriene. Med dette som grunnlag blir blitt gjort en vurdering av konseptalternativene. Og det best egnede konseptet blir da valgt. Det tas i betraktning at gruppas kompetanse innen identifisering og formulering av hensiktsmessige kriterier er begrenset siden vi har relativt liten erfaring med denne type arbeid som studenter. Følgelig må vi anta at det er relativt stor risiko for de vurderingene som vi har gjort ikke nødvendigvis er optimale, og at de vil dermed føre til «feilkilder» i forhold til beslutningsgrunnlaget og den som konklusjonen følger. Det settes derfor tiltak som innebærer å se om likede faktisk konseptene oppfyller kravspesifikasjonene, testing, og nødvendige beregninger. Konklusjonen som trekkes i forhold til konseptvalget er studentgruppas beslutning, men konseptvalget som skal ligge til grunn for det videre designarbeidet vil likevel være avhengig av hva oppdragsgiver avgjør. At oppdragsgiver kommer med nye ønsker kan vi ikke utelukkes, selv om vi er så langt ute i prosjektet. Ettersom det er oppdragsgiver som er kunden, og det er han som har siste ordet i denne avgjørelsen. Side 21
5.0 Konklusjon 5.1 Konklusjon for installasjonkonseptet Fra resultatet i pugh matrisen for installasjon ser vi at største konsept 2 får høyest poengsum. Installasjon: Konsept nr. 2 Egenskaper: Kraft translasjon Armer system Kraft type Torsjon Lloyd eller Tinius Begge Armer: Antall 2 Funksjonalitet Endre trykkraft til torsjon kraft Figur Beskrivelse: Strekkmaskinen senker med en gitt kraft. Denne kraften overfører til torsjon kraft på ønsket prøvestykke. Fordeler med dette konseptet er at mesteparten av kraften man trykker med vil bli overført i til torsjon kraft. Dette konseptet har vi to armer på hver side. Dette for å minske vridning i selve armene som blir påført en kraft i vertikal retning. Konseptet her bygger videre på Konsept 1.0 hvor vi oppdaget på FEM analysene at det ville forekomme noen vridninger i topplaten og i armene som går vertikalt ned. Derfor har vi her to armer som gir en god symmetri og minsker vridningen. Tabell 16: Konsept nr. 2 for installasjon Side 22
5.2 Konklusjon for målingverktøyet Fra resultatet i pugh matrisen for målingsverktøy ser vi at største konsept 1 får høyest poengsum. Måleverktøy: Konsept nr. 1 Type Strekklapp Kraft type Bøying og torsjon Beskrivelse: Strekklapper er måleelementer som utnytter at resistansen for en metalltråd eller et annet ledende materiale forandrer seg ved forlengelse. En vanlig utførelse for strekklappen er en motstand i form av en lang tråd innstøpt i et elastisk materiale som kan limes til et underlag. På denne måten vil den innstøpte tråden bli utsatt for lengdeendringer når strekklappens underlag blir utsatt for lengdeendringer. Figur: Tabell 17: Konsept 1 for måleverktøy Side 23
6.0 Referanser Strøm T, Graven O. H. Prosjekthåndbok. v2016. Kongsberg institutt for ingeniørfag (HBV) Shamieh C. Systems engineering for dummies. Wiley Publishing. 2011 - http://coevolving.com/transfer/201107_syseng/sysengfordummies_9781118100738.pdf Måleverktøy - http://www.datum-electronics.co.uk/products/torque-transducers-andsensors/datum-universal-transducer-interface/ - http://w3.elektrofag.info/instrumentering/transmitter Side 24