123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

98_3-1    Projektování svařovaných konstrukcí.

Proces projektování.

Byla představena "aktivní sémantická konstrukční síť". Stoupající komplexnost výrobků vyžaduje zvládnout všechny souvislosti v projekčním procesu. Výstavbou aktivní sémantické konstrukční sítě se střídavá působení mezi jednotlivými konstrukčními kroky a díly výrobku průběžně dokumentují a aktivně zohledňují. Systemizace tvůrčí práce konstruktéra Pahlem, Beitzem a dalšími mají za cíl dosáhnout konstrukční výsledky nezávisle na talentu. Přesto závisí kreativita řešení na předpokladech zpracovatele. Jestliže se rozebere konstrukční proces, je možno jej rozdělit na tyto kroky:

  • Jednotlivé fáze projekčního procesu: - Formulace úlohy - Koncepce - Návrh - Vypracování. Tyto fáze navazují časově, resp. logicky, a to znamená, že jsou mezi nimi přípustné libovolné skoky.
  • Práce s abstraktními návrhy řešení, aby se zejména v prvních fázích nepominula mnohotvárnost možných řešení. Nalezená řešení se v průběhu konstrukčního procesu upřesňují a konkretizují.
  • Vyhodnocování nalezených řešení, které vede k rozhodnutí o dalším postupu.

V průběhu vývoje mohou tím vznikat závislosti jednotlivých konstrukčních fází. Je třeba podporovat vyhodnocení výsledků v mezidisciplinárním týmu, přičemž konstruktér dále kreativně řídí hledání řešení. Při tomto postupu se omezí informační ztráty a dříve se poznají problémy. V činnosti představený konstrukční systém ASK-IMA podporuje od časového začátku definování požadavků až do doby detailní řešení jednotlivých dílů definice a zohledňování těchto souvislostí.


Další příspěvek se týká strukturovaného navrhování v konstrukčním procesu. Vysvětluje se, jak musí konstruktér postupovat, aby se minimalizoval počet nutných iteračních kroků, a tím i spotřeba času. Autor popisuje k tomu nutné "Technické systémy", "Strukturní prvky" a problémy "Dimenzování". K tomu uvádí diagramy pro měnící se vztahy mezi konstrukčními prvky, z kterých pak odvozuje pomocí vhodného algoritmu vyhovující pořadí jednotlivých kroků.


V další práci je posuzována redukce možných variant v kusové a malosériové výrobě. Zvládnutí mnohotvárností variant je pro mnohé podniky mimořádně důležitá úloha, kterou je třeba řešit, aby bylo možno vyrábět za nákladově příznivých podmínek. Jsou popisovány projekční zkušenosti středně velikého podniku, který nemusí snižováním stávající mnohotvárností zásadně řešit omezení nákladů. Často je efektivnější omezit vznik nákladů pro nové varianty a pro přípravu nástrojů, čímž se usnadní vyrovnání s mnohotvárností. V tab. 1 je uveden přehled výhod a nevýhod mnohotvárnosti z pohledu strojírenského závodu. Práce posuzuje projekční cíle a strategie.

Tab. 1 Výhody a nevýhody četnosti variant
Přednosti četnosti Nevýhody četnosti
Zákazník
  • Optimální řešení libovolného problému zákazníka
  • Možnost optimálního vedení procesu
  • Vlastní dobré řešení ve srovnání s konkurencí
  • Nutnost udržovat náhradní díly
  • Údržba
  • Nutnost školení spolupracovníků
  • Vyšší cena
  • Podnik
  • Široká prezentace na různorodé trhy
  • Přednost v konkurenci
  • Spokojenost zákazníků
  • Nutnost rozpracovávání nabídek
  • Částečně vyšší riziko při mimořádném vývoji
  • Výroba částečně se sériovostí 1
  • Nákladově náročnější skladování náhradních dílů
  • Horší přehled o existujícím spektru dílů
  • Náročná péče o výrobek
  • Další vývoj výrobku je z důvodů vyšších vývojových nákladů možný jen v delších časových intervalech
  • Vyšší náročnost na spolupracovníky
  • Při tomto způsobu postupu je třeba zodpovědět některé otázky, např.:

    • Co učinit, jestliže zákazník požaduje variantu, která byla právě nahrazena jinou?
    • Jak je možno zabránit novým variantám?
    • Jak je možno nakonfigurovat varianty, které zůstaly?

    V tab. 2 jsou uvedena určující výběrová kritéria pro objekty redukce variant a v tab. 3 strategie pro redukci variant. Pro typické výrobky, zejména ze strojírenství se svařovanými díly, dávají tyto všeobecně definované návrhy řadu podnětů.

    Tab. 2 Kritéria pro objekty při omezování variant
    Použití
  • Počet variant
  • Počet nových variant v roce
  • Průměrná spotřeba variant
  • Průměrná spotřeba variant jako náhradních dílů
  • Náklady
  • Průměrné náklady variant
  • Tlak na omezení nákladů
  • Geometrie
  • Podobnost variant
  • Materiál
  • Počet materiálových variant
  • Technika
  • Tlak na další vývoj
  • Slabá místa
  • Výroba
  • Průměrná velikost série
  • Velikost skladu
  • Zákazník
  • Četnost exotických přání zákazníků
  • Trendy
  • Tab. 3 Strategie pro omezení četnosti variant
    Pružné procesy vývoje zakázky
  • Přeložení četnosti variant do pozdějších fází vývoje zakázky, např. do doby montáže
  • Využití vlastností symetrie
  • Omezení četnosti variant zabráněním levých/pravých provedení.
  • Realizace symetrických dílů, které mohou být montovány v různých sestavovacích polohách
  • Varianty materiálu
  • Snížení počtu rozdílných materiálů a polotovarů. Zejména v případech, kdy materiály potřebují zkušební osvědčení, je obvykle hospodárnější generelně zajistit polotovar s osvědčením.
  • Lokální stavebnicové systémy
  • Upřednostnit řešení, která umožňují požít lokální stavebnicové systémy, aby se snížila komplexnost celého systému.
  • Stupňovitost stavebních řad
  • Usilovat hrubší stupňování stavebních řad.
  • Standardizace tvarových prvků
  • Standardizace tvarových prvků jako jsou např. vestavné prostory, geometrie připojování apod., které jsou nutné v různých variantách.
  • Dodavatelé a dodávané díly
  • Využívat degresi ve velikosti sérií.
  • Uzavírat kumulativní zakázky.
  • Omezit počet dodavatelů, aby se získaly příznivější nákupní podmínky.

  • V další široce založené podrobné práci pojednává autor o možnostech strategie při nových materiálech a procesech na příkladě z výroby automobilů. Svoje vývody označuje jako strategii lehkých konstrukcí. Hospodářské předpoklady ve stavbě automobilů se mění s přístupností energie, s cenou energie, s přístupností surovin včetně jejich ceny, s ovlivňováním okolí a prostředí a i se světovými obchodními podmínkami a různým zákonodárstvím specifickým pro automobilizmus. Proto musí inovační koncepty a procesy - se zaměřením na nově vyvíjené materiály a procesy, které se předpokládají jako základna pro zlepšení vhodná pro lehké konstrukce - postačovat měřítkům celkových pohledů. V budoucnosti musí "inteligentní systémový soubor slitinových materiálů" odpovídat funkčním lehkým konstrukcím i z hlediska opětného použití materiálů. V práci jsou podrobně rozvedeny vyčerpávající údaje o strategii plánování výrobků z hlediska prostředí/okolí, o vývoji výrobků a o hodnocení nákladů. V popředí přitom stojí analýza stavebních dílů. Jelikož v tomto integrálním promyšleném konstrukčním modelu funkčních lehkých konstrukcí se často s vyššími náklady spojená řešení prosazují jen dosaženými funkčními zlepšeními, odráží se komplexnost nákladů měřených na výrobku na individuálních přáních zákazníků. Právě zde mají výpočtové metody, např. metoda konečných prvků a pod., v praxi mimořádný význam. V obr. 1 je souhrnně uvedena strategie lehkých konstrukcí s jednotlivými konstrukčními principy pro úspěšné konstruování.


    Obr.1 - Strategie pro úspěšnou projekci lehkých konstrukcí.


    Další práce referuje o výsledcích zajímavého mezinárodního výzkumného projektu (Eureka-Factory-Projoin) o manažmentu kvality při svařování. Hlavní cíl tohoto výzkumného projektu spočívá ve vývoji, rozpracování a zavedení moderních řešení v oblasti svářečské techniky, které se soustřeďují na kvalitu, inovaci, moderní technologie a efektivní organizační struktury. Projekt podporuje střední a malé podniky se svářečskými procesy při zavádění racionálních, pružných výrobků neohrožujících životní prostředí a zaměřených na kvalitu. Těžištěm projektu jsou výzkumy v malých a středních podnicích zaměřených na :

    • Technologii, konstrukci a použití materiálů ve svařování
    • Manažment kvality a výroby ve svařování
    • Vzájemné působení člověka, pracoviště a prostředí ve svařování.

    Výsledky výzkumného projektu dávají pro vývoj a konstrukci svařovaných výrobků mnoho námětů pro dosažení nákladově příznivých řešení.


    V dalším článku jsou uvedeny dobré a praktické návrhy pro ekonomické úvahy konstruktéra ve svařovací technice. Diskutují se přitom náklady ve svařování a úloha konstruktéra při jejich snižování. Posuzují se jednotlivé požadavky na svařovanou konstrukci. Na obr. 2 jsou autorem sestaveny důležité body plánování dílců svařovaných konstrukcí. Pro praxi dávají řadu cenných rad.


    Obr. 2 Klíčové body pro úvahy konstruktéra svařovaných výrobků


    Projektování - ocele

    V článku se pojednává o novince ve stavbě ocelových spojovacích mostů ze svařovaných trubkových částí. Na dálnici A1 v Lully ve Švýcarsku byl postaven asi 1000 m dlouhý viadukt na základě inženýrské soutěže jako kombinovaný most na bázi prostorové prutové sestavy z ocelových trubek. Jedná se o "novinku", která byla posouzena komisí jako "originální a inovační". Zatím nebyla odvaha použít při stavbě silničních mostů řešení se svařovanými trubkovými uzly. V práci je popsán návrh a stavba mostu a problém nepřístupných kořenů svarů v trubkových uzlech. Bylo vyvinuto několik variant příhradových konstrukcí pro mosty s trubkami a HE-profily, které byly zkoušeny. Velký význam měla řešení trubkových uzlů ve spojení s betonovými částmi podle obr. 3. Rozdělení pnutí v uzlech bylo určeno pomocí několika FE-modelů a pro zvolená rozhodnutí byla rozhodující. V článku jsou též přesné údaje pro zajištění kvality svařování tohoto moderního stavebního díla.


    Obr. 3 Trubkové uzly použité na mostě složeném
    ze svařovaných dílů z trubek


    Byla představena široce namáhaná svařovaná konstrukce sportovní haly. Je popsána výroba, transport a montáž této prostorové nosné konstrukce z trubek. Zvláštní požadavky vznikly z velikosti a hmotnosti stavebních částí, z konstrukce trubkových uzlů a ze stanoveného času. Zvlášť podrobně jsou popsány aspekty svařovací a řezací techniky a výroby v dílně i na montáži. Konstrukční řešení detailů trubkových proniků svědčí o aktivní spolupráci svářečského dozoru s konstruktéry. Ta vedla k výrobně-technickým ekonomickým rozhodnutím, zejména při volbě typů svarů (tupé svary - koutové svary) pro jednotlivé trubkové spoje.


    Další práce pojednává o vlivu vyšších rychlostí na návrh železničních mostů, např. ocelových mostů na vysokorychlostní trati vlaků TGV Mediterrannee. Kromě čistě technických souvislostí pro návrh s ohledem na rozměry a stavební propracovanost, je zajímavá otázka, zda není inženýr znovu přinucován lépe zvládnout návrh svých mostů. Ukazuje se nutnost návratu k jednoduchým a přirozeným tvarům. Aktuální trendy jsou často orientovány na novinky, které jsou sice za pomoci EDV proveditelné, ale komplikují konstrukci. Při velmi velkých rozpětích přichází do úvahy jen ocel. Vzniká ale otázka, zda jsou takové mosty dlouhodobě bezpečné pro průjezdní rychlost 300 km.h-1. Vliv vyšších rychlostí na konstrukci železničních mostů nespočívá jen ve stanovení požadavků s ohledem na bezpečnost, komfort a životnost, ale vede i k řadě dalších úvah. Jsou popsány novodobé konstrukční detaily jako varianty. Jedno ze základních pravidel spočívá v tom umožnit volný průběh sil a všeobecně nepřipustit jejich prudké odklony. U mnohých uzlů byly v zájmu příméhé vedení sil vsazeny uzlové plechy do drážek v trubkách.


    Při představování svařovaných ocelových mostů přes vnitrozemské kanály byly popsány názorné příklady konstrukčních detailů. Městská trať Hannover s jejími novými devatenácti mosty nabízí na vzdálenosti jen 17 km neopakovatelnou možnost odkrýt pozoruhodné spektrum projekčních možností na téma prutových oblouků. V práci jsou vysvětlovány pojmy: estetický program, účastníci projektu, projektové parametry, typy příhradových nosníků, a základní body pro formální zpracování projektu. V obr. 4 je uvedeno několik příkladů. Na obr. 4a je projekt opěrného uložení, na obr. 4b je struktura vyztuženého nosníku. Stejně zajímavý je i projekt průřezu oblouku na obr. 4c. Jsou uvedeny i s tím související architektonické problémy řešení.


    Obr. 4 Svařovaný most
    a) Projekt opěrného uložení
    b) Struktura vyztuženého nosníku
    c) Průřez oblouku


    V dalším článku se poukazuje na přednosti laserového svařování ve stavbě lodí. Situace v konkurenci ve světové výrobě lodí vyžaduje stálá zlepšování v projekci i ve výrobě. Při zaručení flexibility směrem k přáním zákazníka a technickému rozvoji musí zřetelně klesat výrobní náklady a průběžné doby. Laserové svařování nabízí pro stavbu lodí tyto přednosti:

    • Vysokou svařovací rychlost.
    • Malý tepelný příkon.
    • Malou spotřebu přídavných materiálů.
    • Stálou kvalitu spojů.

    Použití svařovacích způsobů na bázi paprsku umožňuje i konstrukčně nastoupit na nové cesty. Je možno využívat vyšší hustotu energie pro spojování stehovými svary plechů s výztužnými prvky pod nimi a vyrábět tak sendvičové konstrukce, které nemohou vyrobeny jinými technologiemi v rovnocenné kvalitě, obr. 5. Použitím těchto sendvičových konstrukcí je možno z příznivých podmínek snížit hmotnost ocelových konstrukcí až o 40%.


    Obr. 5 Laserově svařovaný sendvičový
    panel ve stavbě lodí


    Další článek uvádí instruktivní příklady řešení při škodách na svařovaných trupech lodí. Opravy na trupech se často musí vlivem napjatého plánu jízd uskutečňovat za velkého časového tlaku. Často jsou ztráty spojené s výpadkem lodi z přepravy vyšší než náklady za vlastní provedení opravy. Jsou uvedeny podrobné úvahy k případům, např. pro zjišťování škod a určování jejich příčin. Uvedené příklady jsou velmi názorné ve vztahu ke konstrukčním řešením.


    Další článek je určen projektantům a výrobcům svařovaných částí pro tlaková zařízení všeho druhu. Základem pro všechny nové EG-směrnice je použití modulární koncepce podle EG-směrnice 90/683/EWG, která definuje osm modulů (zkušebních stavebních kamenů), které se užívají jako důkaz pro konformitu výrobku jednotlivě nebo v kombinaci. Dodávka tlakových zařízení pro koncového uživatele se uskutečňuje buď přímo výrobcem nebo třetím dodavatelem. V době předávání musí výrobek odpovídat požadavkům směrnice, přičemž podle druhu výrobku ještě i dalším směrnicím. Provedení s bezpečnostními požadavky ve směrnicích zásadně formulovanými s upřesněnými tlakovými přístroji pro media (plyny, páry, kapaliny) je v oblasti platnosti směrnice včetně jednotlivých komponentů sestavených montážních skupin obligatorní. Do okruhu platnosti spadají především všechny tlakové přístroje, např. tlakové nádoby, parní kotle, tlaková potrubí, tlaková a jim bezpečnostně relevantní výstroj a montážní celky s maximálním přípustným tlakem vyšším než 5 MPa. v příspěvku je shromážděna řada jednotlivých informací, které je třeba zohlednit zejména při vývoji svařovaných tlakových přístrojů. Obsahuje i informace o budoucím významu EG-směrnice pro tlakové přístroje a k nim příslušejícím svařovaným dílům.


    V dalším pojednání jsou uvedena doporučení pro zjednodušené určování kvalitativních skupin v hodnocení svarových spojů. Projektant musí znát druh nepravidelnosti svaru a mezní přípustné hodnoty v jednotlivých skupinách. On také určuje kvalitativní požadavky na jednotlivé spoje. Doporučuje se zde spolupráce mezi výrobou a konstrukcí, objednatelem, provozovatelem a příp. dalšími místy, kterých se to týká. Doporučení zde dávají pokyny DVS 0705 a DVS 0713. Při určování kvalitativních skupin se řeší otázky:

    • Které nepravidelnosti svarového spoje mohou nastat při určeném svařovacím procesu, pracovní poloze a přípravě návarových hran?
    • Které z možných nepravidelností mohou být pro jednotlivé svarové spoje přípustné?

    Autor dává v práci doporučení, jak mohou být zjednodušeně a přehledně dokumentována přijatá rozhodnutí o nepravidelnostech svarů pomocí schematických obrázků, jak ukazuje obr. 6. Konstruktér zná způsob namáhání spojů (normální, dynamické, apod.), velikost namáhání i zatěžovací možnosti materiálu a svarového spoje. To vše je třeba zohlednit při určování kvalitativních skupin.


    Obr. 6 Obrázkové znázornění maximálních odchylek
    (mezních hodnot) nepravidelností svarů pro kvalitativní
    skupiny B, C a D podle normy DIN EN 25817.


    Další práce referuje o stavu a významu evropských norem pro přípravu návarových ploch a pro konstrukční detaily. Přitom se konkrétně týká těchto norem:

    • DIN EN 29692 (vydání duben 1997) "Ruční obloukové svařování. Svařování v ochranných plynech a plamenové svařování. Příprava návarových ploch pro ocel."
    • prEN 1708 (vydání 1997) "Svařování. Spojovací prvky při svařování oceli. Díl 1: Stavební části přenášející tlak. Díl 2: Ocelové stavební části."
    • prEN 12732 (vydání květen 1997) "Svařování potrubí z oceli."

    Jsou komentovány příklady z norem, příp. z návrhů norem z uvedeného data. Článek podává důležitá upozornění k vzájemným souvislostem jednotlivých norem. Při systémech pro zásobování plynem se musí pro příště přihlížet k prEN 12732. Při přípravě návarových ploch se musí přejít na odborné opracování hran a na vzájemné centrování, přičemž je určeno i přesazení hran na kořenové straně, viz obr. 7. Jestliže se přihlédne k tomu, že výkresové provedení spojů v návrhu normy odporuje kvalitativním požadavkům provedení, chybějí též údaje o přístupnosti pro provedení "2" uvedených spojů. Autor dává účelná doporučení k těmto řešením pro praxi. Právě takové pokyny a doporučení mají pro malé a střední podniky velký význam.


    Obr. 7 Vyrovnání rozdílu v tloušťce stěn
    při svařování ocelových potrubí podle
    prEN 12732 (vydání květen 97).


    Další článek se zabývá úvahami k ideji inženýrské zodpovědnosti a vychází z příkladu poškození svařovaného mostu (stavba ocelového mostu před 25 roky). Tento případ nese podobné znaky, jaké byly zjištěny i na jiných místech při vývoji v moderní stavbě ocelových mostů. Na tomto případě z inženýrské praxe je možno studovat význam zodpovědného styku s technickými pravidly. Jedná se o svařované stavební dílo navržené podle platného pravidla. Pro všechny statiky a konstruktéry mají vývody autora velký význam. Zejména mladí kolegové ze svařování obdrží mnohé pokyny k zodpovědnosti za jejich technická rozhodnutí.

    Projektování - lehké kovy.

    Jsou ukázány perspektivy použití hliníku ve stavbě lodí. Kromě všeobecných historických vývojových tendencí jsou posuzovány návrhy svařovaných stavebních dílů ze slitin hliníku. Jsou prezentovány zejména příklady svařovaných sekcí. Zajímavé jsou i popsané hliníkové díly svařené třením. Jsou uvedeny přehledy do budoucna rostoucího použití hliníkových materiálů ve stavbě lodí.


    Další článek pojednává o možnostech výroby trajektových lodí z hliníku svařováním. Aby se mohly zabezpečit stále stoupající požadavky na funkční vlastnosti, dochází stále více k záměru použít lehké kovy částečně nebo i celkově na stavbu lodních trupů. Nejčastěji používaný hliník si našel vstup do stavby lodí již před časem. Naproti tomu nové je použití vysokolegovaných hliníkových slitin jako jsou 5383, resp. 5518, jejichž vlastnosti jdou nad německé normy. Na základě těchto slitin je možno ovlivnit dimenzování lodí, a tím i jejich hmotnost a rychlost. Největším uživatelem těchto slitin je v současné době australský lodní průmysl, který má v současné době největší know-how ve stavbě trajektových lodí. Článek uvádí různá zajímavá řešení.


    Další článek pojednává o použití svařování třením ve verzi friction stir welding ve stavbě lodí. Anglický Welding Institut vyvinul a patentoval tento způsob pro svařování hliníku a nízkotavitelných slitin, při kterém se požívá nástroj podobný trnu. Tento nástroj rotující rychlostí 1000 až 1500 min-1 se pohybuje strojně v podélném směru velkou silou. Podobně jako při klasickém svařování třením je možné vzájemně svařovat různé slitiny nebo plechy s tlačenými profily nebo s odlitky. Dále je možno tímto novým způsobem svařovat i slitiny, které se dosud považovaly za nesvařitelné. Jak se zdá, budou pro tento proces vyvinuty i nové slitiny. Přednosti tohoto způsobu se ve srovnání s MIG-svařováním uplatní při použití ve stavbě lodí při svařování mezipalubních sekcí podle obr. 8a. Používají se přitom tlačené profily z Al6082-TG (AlMgSi1). Obr. 8b ukazuje tupý spoj tlustých plechů, resp. tlačených profilů s přípravou hran ve formě kotvy. Způsob je zvláště hospodárný, protože náklady na kontrolu kvality jsou velmi nízké. V článku je řada pokynů pro konstruktéry.


    Obr. 8 Svarové spoje hliníkových
    slitin ve stavbě lodí


    Nové návrhy pro použití hliníku ve stavbě automobilů jsou ukázány na příkladu Porsche. Význam pro konstruktéry mají projekční řešení např. os. Jsou rovněž popsány svařované hliníkové konstrukce v technice karoserií u Audi a Daimler-Benz a jsou ukázány jejich přednosti.


    V dalším článku se referuje o kolokviu laserové techniky 1998, které se konalo v Aachen. Příklady použití laserové techniky zejména pro hliníkové svařované konstrukce jsou zajímavé pro konstruktéry. Jako příklad je uveden smíšený spoj ocel-hliník. Záměna WIG-svařování otevírá velmi zajímavé varianty konstrukčního řešení tupých spojů na tlačených profilech v závislosti výrobně technických řešeních.


    V poslední době se objevují nové evropské normy jako doporučení ke svařování kovových materiálů. Pro svařování hliníku a jeho slitin je určující prEN 1011-4. V článku dává autor řadu upozornění na souvislosti této normy s jinými evropskými normami týkajícími se zabezpečování kvality.

    Zpět na Vývojové tendence



    logo welding.cz