E-2012/10-SE Examensarbete 15 hp September 2012 Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Force and Strain Measurements on a Snap Load Paul Norström Abstract Kraft och Deformationsmätningar på Snap Load Gummi Force and Strain Measurements on a Snap Load Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student Paul Norström The power consumption has grown rapidly in the last decade. Fossil fuels and the need for alternative energy sources are great. Ocean waves are a renewable and sustainable source of energy that has been relatively untapped. At Uppsala University research and development have been done for several years. Several types of wave energy converters (WEC) have been created. The project faces many challenges, but as always it ultimately boils down to cost versus efficiency and energy conversion. One way to reduce production costs is to reduce the maximum forces a WEC is affected by. In theory, this can be done by something called a snap load, but it has not been tested yet. A snap load is mainly composed of an EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) rubber body which is deformed when the forces on it becomes sufficiently large. One big question is whether the rubber body can be deformed quickly enough. In this thesis a measurement system is constructed where the forces and deformation of the so-called snap load could be measured and logged in real time. Pressure tests on EPDM rubber has been carried out and the results are analyzed and compared to simulated results. The results of the pressure tests show that the rubber can be too slow for the intended function, but this may be due to confounding factors that are discussed in the final part of this work. Suggested additional pressure tests have been developed and discussed in future work. The measurement system was never tested on a real snap load due to the fact that WEC that it was meant for was not launched within the time span of this work, however, proposals on how it could be implemented in a snap load has been developed. Handledare: Boel Ekergård Ämnesgranskare: Mats Leijon Examinator: Nora Masszi E-2012/10-SE Tryckt av: Uppsala Universitet, Uppsala Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Sammanfattning Effektförbrukningen har vuxit snabbt under det senaste årtiondet. Fossila bränslen minskar och behovet av alternativa energikällor är stor. Vattenvågor är en förnybar och hållbar energikälla som har varit tämligen outnyttjad. Vid Uppsala universitet har forskning och utveckling pågått under flera år, där målet är att konvertera vågornas rörelseenergi till elektrisk energi. Flera typer av vågkraftsaggregat har skapats. Projektet står inför många utmaningar, men som alltid handlar det slutligen om kostnad kontra effektivitet och energiomvandlig. Ett sätt att minska produktionskostnaderna är att minska de maximala krafterna ett aggregat påverkas av. I teorin kan detta göras genom något som kallas snap load som fungerar som en dämpare, men det har inte testats ännu. En snap load är i huvudsak uppbyggd av en EPDM-gummikropp, som deformeras då krafterna på den blir tillräckligt stora. Ett stort frågetecken är om gummikroppen kan deformeras tillräckligt snabbt. I detta examensarbete konstruerades ett mätsystem där krafter och deformation hos den så kallade snap loaden kan mätas och loggas i realtid. Trycktester på EPDM-gummit har utförts och resultaten analyserats och jämförts med simulerade resultat. Resultatet av trycktesterna visar på att gummit kan vara för långsamt för den tilltänkta funktionen, dock så kan detta bero på felkällor som diskuteras i den avslutande delen av detta arbete. Förslag på ytterligare trycktester har tagits fram och diskuteras i framtida arbete. Mätsystemet testades aldrig på en verklig snap load då vågkraftverket det var ämnat för inte sjösattes inom tidsrymden av detta arbete, dock så har förslag tagits fram om hur det skulle kunna implementeras i snap loaden. 1 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Förord Ett stort tack till Boel Ekergård för hennes eminenta handledning och Mats Leijon för möjliggörandet av detta projekt. Jag vill även rikta ett stort tack till Urmas Valdek och Gabriella Josefsson för deras hjälp med trycktestningarna. 2 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Innehållsförteckning 1 Introduktion ......................................................................................................................................... 5 1.1 Inledning ........................................................................................................................................ 5 1.2 Syfte .............................................................................................................................................. 6 1.3 Avgränsningar ............................................................................................................................... 6 2 Teori .................................................................................................................................................... 7 2.1 Vågkraftverk.................................................................................................................................. 7 2.1.1 Vattentransportsystem ............................................................................................................ 7 2.1.2 Oscillerande vattenpelare ....................................................................................................... 8 2.1.3 Oscillerande kroppar .............................................................................................................. 8 2.2 Snap load ..................................................................................................................................... 10 2.3 Dragvajergivare ........................................................................................................................... 14 2.4 Kraftgivare................................................................................................................................... 14 2.5 GSM ........................................................................................................................................... 15 3 Metod ................................................................................................................................................ 16 3.1 Förstudie ...................................................................................................................................... 16 3.2 Design och konstruktion .............................................................................................................. 16 3.2.1 Positionsgivarkretsen............................................................................................................ 17 3.2.2 LabView program................................................................................................................. 18 3.2.3 Beräkningar .......................................................................................................................... 19 3.3 Simuleringar ................................................................................................................................ 20 3.4 Experimentella mätningar ........................................................................................................... 21 4 Resultat .............................................................................................................................................. 22 4.1 Simulerad data ............................................................................................................................. 22 4.2 Experimentell data ....................................................................................................................... 23 5 Diskussion ......................................................................................................................................... 28 6 Framtida arbete .................................................................................................................................. 29 7 Referenser.......................................................................................................................................... 30 3 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figurförteckning Figur 1 – Mätdata från tidigare vågkraftverk, är materialspänningen i balkarna i y-led och är translatorns position i generatorn. ........................................................................................................... 5 Figur 2 – Flytande vattentransportsystem ............................................................................................... 7 Figur 3 – Oscillerande vattenpelare ......................................................................................................... 8 Figur 4 – Punktabsorberande system....................................................................................................... 9 Figur 5 – Snap loadens utseende ........................................................................................................... 10 Figur 6 – Grafisk beskrivning av scenario 1 ......................................................................................... 11 Figur 7– Grafisk beskrivning av scenario 2 .......................................................................................... 12 Figur 8 – En kraft-deformationskurva från tillverkare av EPDM gummit. ........................................... 13 Figur 9 – Dragvajergivare ..................................................................................................................... 14 Figur 10 – Positionsgivare samt en DAQ från National Instruments .................................................... 17 Figur 11 – Kretsschema över positionsgivarkretsen.............................................................................. 17 Figur 12 – LabView programmets framsida med indikatorer, grafer mm. ........................................... 18 Figur 13 – LabView programmets kod ................................................................................................. 19 Figur 14 – EPDM gummits materialparametrar .................................................................................... 20 Figur 15 – Solidworks simulering på EPDM – gummit. ....................................................................... 20 Figur 16 – Trycktestningen av EPDM – gummit. ................................................................................. 21 Figur 17 – Resultat av Solidworks simuleringarna. .............................................................................. 22 Figur 18 – Resultat av trycktest 1, Maximal kraft: 13.81160 kN , Maximal deformation: 4.98813 mm ............................................................................................................................................................... 23 Figur 19 – Resultat av trycktest 2, Maximal kraft: 11.79625 kN, Maximal deformation: 5.01581 mm 23 Figur 20 – Resultat av trycktest 3, Maximal kraft: 54.73664 kN, Maximal deformation: 20.00997 mm ............................................................................................................................................................... 24 Figur 21 – Resultat av trycktest 1 och 2 plottas tillsammans, visar på skillnaden före och efter materialet förstörts. ................................................................................................................................ 24 Figur 22 - Resultat från simulerad samt experimentell data plottad tillsammans. ................................ 25 Figur 23 – Visar deformation över tid på trycktest 1. ........................................................................... 25 Figur 24 – Visar deformation över tid under 0,5 sekunder i trycktest 1................................................ 26 Figur 25 – Visar materialspänningen över tid i trycktest 3. .................................................................. 26 Figur 26 – Visar materialspänningen över tid under de första 0,4 sekunderna i trycktest 3. ................ 27 4 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 1 Introduktion 1.1 Inledning Vid Avdelningen för Elektricitetslära bedrivs forskning inom förnyelsebar elgenerering angående vågkraft, där målet är att konvertera vågornas rörelseenergi till elektrisk energi. Havsmiljö är dock en krävande miljö, som utsätter vågkraftverken för stora extremkrafter. För att minimera dessa extremkrafter skall en såkallad snap load installeras i nästa vågkraftverk, den såkallade L11. Om snap loaden kan absorbera de extrema kraftimpulserna som vågorna ger upphov till utan att vågkraftverket för den delen förlorar sin funktionalitet, så kan de dimensioneras för lägre krafter och därmed minska produktionskostnaderna för framtida vågkraftverk. För att inte de extremkrafter som uppstår när bojen drar translatorn uppåt, vid höga vågor, skall fortsätta in i ytterhöljet måste gummit i snap loaden ha en snabbare responstid än ändstoppets komprimeringstid. Målet med detta examensarbete är att konstruera ett mätsystem där de krafter som verkar på en snap load kan mätas och analyseras. Mätsystemet skall även kunna registrera hur snabbt gummit kan absorbera energi då detta är svårt att beräkna eller simulera. Detta görs för att se om gummit i snap loaden kan motverka de otroliga krafter som uppstår på translatorn då linan går slak. Krafter på uppemot 500kN har teoretiskt räknats verka på vågkraftverket och aggregateten är dimensionerade därefter. Mätningar på tidigare vågkraftverk har visat att stora spänningspeakar uppstår i de bärande balkarna när translatorn slår mot ändstoppet, se figur 1 nedan. Figur 1 – Mätdata från tidigare vågkraftverk, position i generatorn. är materialspänningen i balkarna i y-led och är translatorns Teoretiskt sett skulle en snap load kunna motverka detta genom att dämpa ut dessa. Med det tänkta upplägget, kan snap load och ändstoppet ses som ett samverkande system som tillsammans jobbar för att inte ytterhöljet skall utsättas för stora krafter. 5 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 1.2 Syfte Syftet med detta examensarbetet är att få en inblick hur krafter påverkar snap loaden och hur snabbt gummit kan absorbera energi då det är svårt att beräkna eller simulera. Målet och metodiken är därmed att implementera mätutrustning för att kunna mäta krafter upp till 300kN i gummikroppen och genom undersöka hur snabbt deformeringen sker kunna dra slutsatser om prototyp-designen är rätt designad. Examensarbetet inkluderar även att logga dess data i realtid för analys. Med data tillgängligt kan framtida prototyper tas fram lättare och då bättre lämpad för de påfrestningar den utsätts för. 1.3 Avgränsningar Projektets mål har uppnåtts om krafter på 300 kN kan mätas och loggas, och projektets avgränsning är därmed låst till dessa mål. Då vågkraftverket samt den snap load som detta projekt innefattar inte sjösätts inom tidsramen för detta arbete så kommer istället en serie mätningar göras med hjälp av en tryckmaskin som kan applisera de krafter en snap load normalt utsätts för. 6 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 2 Teori 2.1 Vågkraftverk Det finns många olika typer av vågkraftverk och de brukar delas in i tre kategorier: vattentransportsystem, oscillerande vattenpelare och oscillerande kroppar. 2.1.1 Vattentransportsystem Vattentransportsystem finns i två olika varianter: flytande och fasta anläggningar och de bygger på samma princip. Den fasta anläggningen ligger på strandkanten och den flytande ute till havs bygger på en teknik som är att när vattenvågorna kommer in leds de in över en ramp och in i en reservoar, detta illustreras i figur 2. Denna reservoar är belägen ovanför vattenytan och på så vis så omvandlas vågornas energi till potentiell energi. Det går en kanal från reservoaren ner till vattnet och i den sitter en turbin som i sin tur driver en generator. Figur 2 – Flytande vattentransportsystem 7 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 2.1.2 Oscillerande vattenpelare Det oscillerande vattenpelar systemet bygger på en lufttrycksteknik.Se figur 3. Systemet består av en kammare som ligger under vattnet, kammaren har en öppning som släpper in vatten. I kammaren är luften instängd och vattenvågornas rörelser strömmar luften uppåt mot en utgång som smalnar av ju närmare slutet den kommer. Det gör att luften accellererar i hastighet och den passerar till sist en luftturbin som i sin tur driver en generator. [1][2] Figur 3 – Oscillerande vattenpelare 2.1.3 Oscillerande kroppar I kategorin oscillerande kroppar finns alla de system där en generator drivs av en kropp i rörelse. I en underkategori till oscillerande kroppar finns punktabsorberande system. Den huvudsakliga karaktäristiken hos ett punktabsorberande system är att de är små i horisontell led jämfört med de vågor som de omvandlar energi ifrån. Punktabsorberande system är den teknik som används av Uppsala Universitet för att utvinna energi ur vattenvågor. Se figur 4. En flytande boj driver en permanentmagnetiserad linjärgenerator. Bojen följer helt enkelt vågorna upp och ner drar vågkraftverkets translator med sig. 8 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figur 4 – Punktabsorberande system 9 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 2.2 Snap load Vid projektets start såg snap loaden ut som figuren nedan(figur 5). Cylindrisk, med ett yttre och inre hölje av stål och två infästningspunkter för vajern. I det inre höljet staplas tre gummikroppar med en diameter på 280 mm och en tjocklek på 75 mm. De är separerade av tunn plåt och överst i i stapeln ligger ett lock. Genom hela stapeln går en stav, denna stav fästs i det nyss nämnda locket och i den undre infästningspunkten. På den övre infästningen fästs en vajer som i sin tur fästs i bojen, den undre infästningspunkten och dess vajer fästs i translatorn på vågkraftsverket. När bojens dragkraft verkar på den övre infästningen och translatorns massa drar den undre infästningen åt motsatt håll kommer en kraft att verka på det inre locket som i sin tur trycker på gummi stapeln som börjar deformeras. Figur 5 – Snap loadens utseende 10 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Snap loaden är designad för att motverka två olika scenarior. Det första är när bojen följer vågen upp till dess topp men sedan sjunker till dess dal snabbare än translatorn hinner sjunka(figur 6). Detta uppstår pga den magnetiska bromskraften så kallad cogging effekt och den elektromagnetiska dämpningskraften som uppstår mellan translator och stator. Vajern kommer då vara i slakt tillstånd och kraftigt ryck i vajern kommer uppstå när bojen rör sig upp mot nästa vågtopp. Figur 6 – Grafisk beskrivning av scenario 1 11 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Det andra scenariot uppstår när det är väldigt höga vågor, se figur 7. Då pressas translatorn mot ändstoppet och går ändstoppet i botten så står translatorn still i detta läge. Detta är inte önskvärt då translatorn utsätter vågkraftverkets ytterhölje för enorm påfrestning. Figur 7– Grafisk beskrivning av scenario 2 Snap loaden kan motverka detta genom att agera som en förlängning av ändstoppet, dock endast när dragkraften från bojen är tillräckligt hög. Dessa scenarior skulle kunna lösas med en fjäder istället för en gummikonstruktion. Men en fjäder har en linjär deformering och skulle då agera som en förlängning av vajern. Detta skulle göra att den effektiva slaglängden för translatorn minskar och således även energigenereringen. Under normal drift skall inte snap loaden förlängas utan endast när såpass höga krafter uppstår så att det kan skada vajern skall den deformeras. Snap loaden konstruerades därför med gummilager med ett olinjärt samband mellan kraft och deformation istället. Vajern mellan boj och translator är en stålvajer med en brottlast på ca 90 ton. Vajern får inte utsättas för mer än en tredjedel av sin brottlast dvs 30 ton vilket ger att kraften då snap loaden börjar deformeras är vid ca 200-300kN. Vilket även är designad med avseende på translatorns vikt och den elektromagnetiska dämpningskraften.[3] 12 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Det gummi som detta arbete avser skall enligt tillverkaren ha en kraft – deformations kurva enligt figur 8.[7] Figur 8 – En kraft-deformationskurva från tillverkare av EPDM gummit. 13 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 2.3 Dragvajergivare Dragvajergivare används för att mäta avstånd och hastighet med hjälp av en flexibel mätvajer och en fjäderbelastad rulle. Givaren monteras mot en fast yta och mätvajern fästs i det rörliga objektet, i detta fall gummit i snap loaden. Inne i givarens hölje är vajern lindad på en cylindrisk spole som snurrar när vajern dras in och ut. För att bibehålla vajerspänningen är en fjäder kopplad till spolen. Spolen är i sin tur kopplad till axeln på en roterande sensor. I de flesta fall är sensorn eller givaren en potentionmeter och agerar då som en spänningsdelare. När objektet flyttas alstras en elektrisk signal som är propertionell mot vajerns förlängning.[4] Se figur 9 nedan för en illustration. Figur 9 – Dragvajergivare 2.4 Kraftgivare Den vanligaste typen av kraftgivare kallas lastcell och den används för att konvertera en kraft till en elektrisk signal. För att kunna göra denna konvertering används ofta en eller flera trådtöjningsgivare. Trådtöjningsgivaren är en elektrisk ledare, ett elektriskt motstånd. När detta motstånd sträcks eller dras ihop ökar eller minskar resistansen i ledaren. Materialet i givaren är oftast gjort av ett tunt lager av elektriskt isolerande material med ett mönster av metallfoliea ovanpå. Detta fäst sedan på ett objekt där töjningen skall mätas med ett specielt lim. Via trådtöjningsgivarens anslutningsbleck kan inspänning anslutas samt läsa av utspänningen. Insignalen till givaren brukar vanligtvis ligga 5 och 12 volt och ger en utspänning i millivolt spannet. Denna signal förstärks och konverteras, med hjälp av algoritmer kan sedan den pålagda kraften beräknas. Lastcellen kalibreras genom att man belastar den med en känd last.[1] 14 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 2.5 GSM GSM står för Globalt System för Mobil kommunikation och har funnits i Sverige sedan 1992. GSM bygger på en teknik som innebär att man delar in en geografisk yta i mindre delar så kallade celler , varje cell tilldelas ett antal telefonkanaler eller datakanaler som kommunikationen sker genom. Beroende på hur mycket förväntad trafik det är i cellen kan den variera väldigt i storlek , det kan t ex skilja så mycket som 100m inne i stadskärnor och 2-3 mil ute på landsbyggden. Nätverksstrukturen består primärt av tre sektioner: Mobile Station(Terminal), Base Station Subsystem(Basstation) och Network Subsystem. Mobile Station består av den mobila enheten och ett SIM kort (Subscriber Identity Module). Base Station Subsystem kontrollerar radiolänken till den mobila enheten. Hjärtat i Network Subsystem är dess Mobile services Switching Center(MSC) och tar hand om växlingen av samtal mellan mobila enheter samt samtal till fasta nätverk. Den tar även hand om all funktionalitet som krävs för att hantera mobilabonnennter så som: registrering, autentisering, lägesuppdateringar, överkopplingar samt samtalsdirigering till roaming abonnenter. GSM900 och GSM1800 är de frekvensband som är vanligast i Europa. Varje kanal som tidigare nämnts ligger i ett frekvensband på 200kHz och i detta band så delas dessa kanaler upp så att det får ett eget tidsintervall som tal och dataöverföringen kan ske i. Olika kodningsalgoritmer används för att överföra ljud och data mellan terminal och basstationen. GSM använder sig av GPRS(General Packet Radio Services) och EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution) för att ansluta till mobilt internet. GSM är väl utbyggt och har sådeles ofta god täckning, basstationerna når relativt långt med sina signaler på 900MHz-bandet [5][6] 15 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 3 Metod För att kunna analysera problemet kommer författaren att konstruera ett enkelt mätsystem vars data kommer att jämföras med det data som erhållts av tidigare forskning på vågkraftsaggregaten. En serie simuleringar med samma materialparametrar som gummit som testas med mätsystemet kommer även att göras för att analysera skillnaden mellan experiment och teori. För att kunna mäta kraften och deformationen av gummit som uppstår när linan slackar måste en kraftgivare och en positionsgivare implementeras. Dessa skall kunna placeras i den befintliga designen av snap loaden och har således en del krav på sig gällande storlek och utseende. För deformationsmätningen kommer en dragvajergivare att användas. Den kommer placeras i toppen av snap loaden och öglan kommer fästas i plåten precis ovanpå det översta gummilagret. Kraftmätningen görs av en kraftgivare som placeras nederst i konstruktionen. Utspänningen från dessa två givare kommer att hanteras av av LabView. I LabView konverteras inspänningen till längd respektive kraft. Data från givarna representas visuellt på skärmen via grafer samt numeriska visare. Tid, deformation och tryck kommer även loggas av programmet i realtid för att sedan kunna analyseras. 3.1 Förstudie I förstudien studerades en del avhandlingar samt artiklar om den forskning som gjorts på vågkraftverk. Detta för att få en större inblick i problemet. Här undersöktes även de olika alternativ som fanns för att utveckla mätsystemet. 3.2 Design och konstruktion Det enkla mätsystemet består av: Dragvajergivare Spänningskälla(batteri) Spänningsregulator Switchknapp DAQ Dator LabView program Tunn cirkulär plåtbit med en krok (GSM modem) 16 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Detta mätsystem, som ses i figur 10 kommer sedan integreras med tryckutrustning som finns på plats i Ångströmslaboratoriet avsedd för kraftmätning. Det gummi som var avsett för dessa tester har i skrivande stund ännu inte anlänt till Ångströmslaboratoriet. Ett annat gummi av samma typ kommer därför att användas, detta gummi har dock en tjockleck på ca 0,5 mm. Så 75 st bitar av detta gummi kommer klippas ut och sedan staplas på varandra för att allt ska vara så likt originalet som möjligt, se figur 5. Figur 10 – Positionsgivare samt en DAQ från National Instruments 3.2.1 Positionsgivarkretsen Positionsgivarkretsen består av en dragvajergivare, en spänningsregulator på 5v, en switchknapp samt ett 9 v batteri. Batteriet monteras i en batterihållare och dess positiva utgång kopplas ihop med den ena polen hos switchknappen. Switchknappens andra pol kopplas i sin tur till spänningsregulatorns input. Spänningsregulatorns GND (jord) kopplas till batteriets negativa utgång. Dragvajergivaren har 2 ingångar(+In och Common) och en utgång(+Out). Spänningsregulatorns output kopplas till +In och GND (jord) kopplas till Common. +Out och Common kopplas sedan vidare till en DAQ där +Out blir inspänning och Common blir referens. Se figur 11 för kretsschema Figur 11 – Kretsschema över positionsgivarkretsen 17 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 3.2.2 LabView program LabViewprogrammet, ses i figur 12 och 13 är till för att omvandla utspänningen från positionsgivar kretsen till information om förflyttad längd i mm. Programmet använder sig av ett Express-VI kallad DAQ-Assistant för att plocka fram data från DAQ-ens ingångar. Detta data skall sedan konverteras. Den totala resistansen dividideras med den maximala utspänningen från dragvajergivaren. Detta ger en faktor som ska multipliceras med indatat för att få en position i mm. En viss kalibrering måste även göras för att plocka bort eventuellt offset. Det konverterade datat kommer sedan att visas grafiskt i en graf kallad deformation tillsammans med inspänningen, båda i realtid. Inspänning och deformation visas även på VI’ns display med numeriska indikatorer. En tank-liknande indikator på displayen visas även för att kunna se sensorns aktuella position relativt dess totala längd. Det finns även möjlighet att ställa in tjocklecken på den gummicylinder som avsetts mäta på. En indikator varnar då när gummit börjar närma sig sin deformationsgräns. Givarens position och den aktuella tiden sparas kontinuerligt i en logfil för att sedan kunna plottas och analyseras i tex Matlab. Figur 12 – LabView programmets framsida med indikatorer, grafer mm. 18 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figur 13 – LabView programmets kod 3.2.3 Beräkningar Det gummi som skall testas har en diameter på 280 mm och en tjocklek på 75 mm. Snap load gummit är tänkt att börja deformeras vid 300 kN, vilket är tre gånger så mycket som tryckutrustningen klarar av. För att gummit skall ha samma materialspänning i experimentuppställningen som det är avsett för måste alltså en del beräkningar utföras och materialet måste sedan klippas i rätt storlek. F 300kN 4,8721 M Pa A 0,140 * 0,140 * Där är materialspänning, F är kraften och A är arean. Sträckgränsen för materialet är på 9 MPa vilket ger ungefär en säkerhetsfaktor på två. Materialspänningen måste alltså vara 4,8 Mpa och kraften måste vara 100 kN eftersom det är maskinens max. Då återstår bara arean och den ges av följande ekvation. F 1 4,8721 MPa 1 1 0,02052503027m 2 A 100kN A 48,721 Vilket ger en diameter på materialet på ca 16 cm. 19 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 3.3 Simuleringar Simuleringar som visar på hur snap load gummit deformeras visas för att sedan plottas mot det experimentelt uppnådda resultatet. Simuleringarna görs i Solidworks och dess data plottas sedan i Matlab. E-modulen ändras vid kompression, vilket gör att simuleringarna borde jämföras med experimentiella mätningar för bekräftelse. En cylinder med 160mm diameter och en tjockleck på 60 mm skapades i Solidworks. Sedan skapades ett material enligt det datablad som visas nedan i figur 14. Figur 14 – EPDM gummits materialparametrar Simuleringarna gjordes av Static Study typen. En kraft läggs mot den övre ytan och den undre ”fästs” i ett virtuellt golv med så kallad fixture. I bilden nedan visas hur simuleringarna gått till. De lila pilarna representerar kraft och de gröna pilarna är fixture. 16 stycken simuleringar gjordes för att få en någorlunda jämn plot över deformationen. Figur 15 – Solidworks simulering på EPDM – gummit. 20 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 3.4 Experimentella mätningar I de experimentella mätningar som kommer göras så används mätutrustningen som tidigare nämnts för att mäta deformationen i gummit och hur snabbt den kan deformeras. Deformationen kommer sedan plottas mot tid och kraft. Tre trycktestningar gjordes. Den första ställdes in så att gummit bara skulle deformeras till 10% av sin totala höjd (Trycktest 1). Detta gjordes för att få en liten inblick i materialet och för att säkerställa att inte materialet gick sönder. Ett högre spann valdes till den andra mätningen(Trycktest 3). Då körde maskinen på tills en 50% deformering av materialet skett. Materialet bör vara förstört efter 30% deformering. Det sista testet gjordes med exakt samma parametrar som det första för att kunna se skillnaden på ett förstört och oförstört material (Trycktest 2). Figur 16 – Trycktestningen av EPDM – gummit. 21 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 4 Resultat Här presenteras de resultat som arbetet utmynnat i. 4.1 Simulerad data Figur 17 – Resultat av Solidworks simuleringarna. 22 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 4.2 Experimentell data Figur 18 – Resultat av trycktest 1, Maximal kraft: 13.81160 kN , Maximal deformation: 4.98813 mm Figur 19 – Resultat av trycktest 2, Maximal kraft: 11.79625 kN, Maximal deformation: 5.01581 mm 23 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figur 20 – Resultat av trycktest 3, Maximal kraft: 54.73664 kN, Maximal deformation: 20.00997 mm Figur 21 – Resultat av trycktest 1 och 2 plottas tillsammans, visar på skillnaden före och efter materialet förstörts. 24 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figur 22 - Resultat från simulerad samt experimentell data plottad tillsammans. Figur 23 – Visar deformation över tid på trycktest 1. 25 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figur 24 – Visar deformation över tid under 0,5 sekunder i trycktest 1. Figur 25 – Visar materialspänningen över tid i trycktest 3. 26 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi Figur 26 – Visar materialspänningen över tid under de första 0,4 sekunderna i trycktest 3. 27 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 5 Diskussion Projektet har stött på en del problem, främst förseningen av det egentliga EPDM-gummit. Att använda staplade gummiplattor istället för solid cylinder ger en stor felkälla och resultatet kan nog som bäst tolkas som en liten fingervisning av hur det egentligen skulle sett ut. Simuleringarna i Solidworks visar på en linjär deformation, se figur 17, vilket inte alls överensstämmer med gummits egenskaper utan mer liknar en fjäders funktion. Detta kan vara på grund av att gummits E-modul ändras ju mer det komprimeras. Det är möjligt att göra olinjära kraftstudier i Solidworks men för att göra detta krävs data på hur E-modulen ändras vid deformation och det fick inte författaren tag på. Projektmålet, ”konstruera ett mätsystem där de krafter som verkar på en snap load kan mätas och analyseras” har uppnåtts till viss del. En prototyp för positions registrering har tagits fram och denna skulle kunna användas till att registrera deformeringen som sker i vågkraftverkets snap load. Däremot kan inga krafter mätas, ett förslag på en lämplig kraftgivare togs fram men det ansågs vara för dyrt. Teoretiskt sett skulle kraften som verkar på en snap load kunna beräknas om den framtagna mätutrustningen används och data tolkas med hjälp av resulten från den experiementella mätningen. De experimentella mätningarna som gjorts på gummit visar även de en något linjär funktion(figur 1719). Man kunde tydligt se hur gummit utseende ändrats efter det nått sin deformations gräns och även dess material egenskaper visar en tydlig skillnad(Figur 21). I introduktionen beskrivs snap load och ändstoppet som ett samverkande system och att snap loaden måste börja deformeras inom 0,4 sekunder för att inte krafterna skall sprida sig ut i höljet på vågkraftverket. Figur 23 visar att en deformering börjar ske efter ca 0,36 sekunder och att fram till 0,4 sekunder har en deformering på 0,006 mm skett. Detta kan vara en indikation att gummits absorberingsförmaga inte är tillräckligt snabb, men med tanke på källan till den här datan skall man nog inte vara för snabb med att dra sådana slutsatser. En teori är att på grund av att gummiplattorna är staplade på varandra istället för en solid kropp är att de bildas luftfickor mellan dem och att reaktionstiden hos gummit blir långsammare för att luften måste pressas ur innan deformationen sker. En förhoppning hos författaren var att kunna plocka fram underlag för simuleringar i Solidworks, detta genom att göra en tabell över stress-strain datat och föra in det i Solidworks. Dock så uppnådde aldrig gummit den sträckgräns på 9 MPa som angivits av tillverkaren. Ytterligare och mer utförliga tester bör göras när det nya gummit anländer. Se framtida arbete för författarens förslag. 28 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 6 Framtida arbete Ytterligare trycktestning bör göras när det nya gummit anländer, ett riktigt impuls svar från materialet saknas i detta arbete och bör plockas fram. Huruvida detta går att göra på Ångström är författaren inte säker på men detta bör undersökas. För att underlätta framtida dimensionering av framtida snap load’s bör ett underlag till Solidworks Simulation tas fram. En stress-strain kurva över materialet upp till sin sträckgräns borde ge tillräckligt underlag för framtida simuleringar. Mätsystemet skulle kunna monteras på följande sätt. Dragvajergivaren fästs på snap loaden i det övre hålrummet. Dragvajergivaren matas med spänning från ett bilbatteri dvs +12 v. Spänningsdelningen från givaren går sedan in i ett GSM –modem där det skickas till ytterligare ett GSM – modem och agerar då som en förlängd kabel. Det andra GSM-modemet kopplas sedan i sin tur vidare till en DAQ och därifrån vidare till en dator för loggning och analys. Ett komplett mätsystem skulle även kunna innehålla en kraftgivare eller så kallad lastcell. Då skulle man i realtid kunna titta på deformation vs kraft i systemet. Dels så får man information om vilka krafter som faktiskt verkar och behöver då inte bara förlita sig på teoretiskt uträknad information. För att göra detta så krävs i författarens ögon 2 GSM modem, 1 lastcell, 1 dragvajergivare, 1 bilbatteri. Allt detta bör göras vattentätt. En DAQ och en dator behövs också för att hantera det data som hämtas från bojen. Anledningen till att en lastcell inte använts i experimentuppställningen är för att inga tester skulle kunna göras på den verkliga snap loaden under tidsrymden av detta projekt och det är bara i detta fall som den skulle göra nytta. Den är även relativt dyr i jämförelse med resten av utrustningen, en egen variant skulle kunna göras av tex trådtöjningsgivare men detta räckte inte tiden till. Ett annat mätsystem borde även i författarens mening implementeras pararellt med det ovan nämnda mätsystemet. En positionsgivare överst i generatorn fästs i ändstoppet, töjningsgivare fästs utmed höljet och en ytterligare positionsgivare används för att mäta translatorns position i aggregatet. Detta har gjorts tidigare men då i vågkraftverk med en väldigt annorlunda bärkonstruktion. Då med stål balkar som bärande konstruktion och nu enbart ett cylindriskt stål hölje. Dessa två mätsystem borde ge en väldigt stor hjälp med framtida dimensionering av hölje, snap load och ändstopp. 29 Examensarbete: Kraft och Deformationsmätningar på Snap load gummi 7 Referenser [1] Andrej Savin (2012) – “Experimental Measurement of Lateral Force in a Submerged Single Heaving Buoy Wave Energy Converter” ISBN: 978-91-554-8240-4 [2] Rafael Waters (2008) – “Energy from Ocean Waves” ISBN: 978-91-554-7654-9 [3] Mats Leijon, Boel Ekergård – muntlig information [4]Celesco – Cable Extension Transducers, Principles of Operation http://www.celesco.com/faq/cet.htm [5] John Scorias – Overview of the Global System for Mobile Communications http://ccnga.uwaterloo.ca/~jscouria/GSM/gsmreport.html [6] Hips AB – Fakta om mobiltelefoni http://www.hips.se/fakta-om-mobiltelefoni [7] Trelleborg AB – High Performance Fenders http://www.trelleborg/marine 30