Transport av människor och gods med bil, tåg, flyg och båt är fundamentalt för vårt samhälle och för livskvalitén för invånarna. Vår inhemska farkostindustri framställer fordon inom alla dessa områden. Farkostindustrin är en styrkefaktor av stor betydelse även för andra industri-grenar i Sverige såsom materialtillverkare, komponentindustrin och systemleverantörer. Farkosttillverkarna agerar på en global marknad, som karaktäriseras av intensiv konkurrens.
Mångvetenskaplig och transdisciplinär vetenskaplig forskning och välutbildad vetenskapligt skolad personal inom för farkostindustrin relevanta teknologiområden är en förutsättning för framgång i denna "tävlan" med ständigt bättre och konkurrenskraftiga produkter.
Tunga farkostegenskaper såsom säkerhet, tillförlitlighet, miljövänlighet, kvalitet, komfort, köregenskaper och kostnad prioriteras. Farkostens primärstruktur (kaross, hytt och ram) har
stort inflytande på alla dessa egenskaper. Stora framsteg har gjorts i teknikkunnandet inom dessa områden, men mycket ny kunskap behövs för att möta kommande behov. Vidareutveck-lingen av denna teknikbas förutsätter en holistisk systemsyn på struktursystemet med avseende på:
- Statisk hållfasthet och styvhet
- Utmattning
- Energiabsorption
- Ljud och vibrationer
- Viktreduktion
- Material
- Tillverkningsteknik
- Återvinning
- Kostnad
Inom denna ram kommer vi att fokusera på interdisciplinär forskning avseende material, hållfasthet (statisk hållfasthet och styvhet, utmattning och energiupptagning), och tillverkningsteknik (fogning, formning)
Material
Starka drivkrafter såsom säkerhet, miljövänlighet och kostnad (via låg bränsleförbrukning) fokuserar strukturlösningar med låg vikt. Material, som erbjuder lösningar för detta är tex:
- Höghållfasta stål (EHS, UHS)
- Aluminium
- Kompositer
- Sandwichmaterial
Genom att öka hållfastheten i stål, kan tjockleken minskas med bibehållen lastförmåga. För att fullt utnyttja detta i en farkoststruktur måste man emellertid beakta att E-modulen och utmatt-ningsgränsen för svetsfogar förblir i huvudsak konstanta även om hållfastheten i grundmate-rialet höjs. Behovet av mer integrala lösningar med färre detaljer och fogar blir betydelsefullt.
Det är också viktigt att bättre förstå de mekanismer, som styr fogarnas sämre egenskaper för att minska fogarnas inverkan.
Aluminium erbjuder potential för viktreduktion baserat på låg densitet, men har lägre E-modul än stål. Materialet är väl etablerat för tillämpningar i flygplansstrukturer. Det börjar användas i större fartygsskrov. Biltillämpningar utgörs huvudsakligen av gjutgodsdetaljer i drivline- och chassisystemen. Potentialen i primärstruktur begränsas av kostnad och kräver fortsatt teknisk forskning.
Fiberkompositer och sandwich-material erbjuder hög hållfasthet, låg densitet och hög styvhet, men tillämpningar i primärstruktur begränsas av kostnad, produktionsteknik och otillräcklig teknikbas för dimensionering, simulering och energiupptagning speciellt med avseende på långtidsegenskaper. Detta är också huvudorsakerna till materialens begränsade tillämpning i primär bilstruktur. Avancerade militärfartyg i kolfiberkomposit och fritidsbåtar i glasfiberkomposit representerar teknikfronten och volymtillämpningar i farkoststrukturer. Materialen börjar tillämpas i sekundärstruktur inom flyg.
Optimering av struktursystemet genom att fullt ut utnyttja materialets potential är en utmaning, som kräver fortsatt materialforskning i bl.a följande områden:
- Mikrostrukturens stabilitet
- Modellering och simulering av mikrostrukturförändringar under produktion av farkoststruktur
- Materialegenskapers förändringar på grund av formning och fogning
- Sprickinitiering och tillväxt vid utmattning
- Restspänningars stabilitet och analys
Hållfasthet
Minskning av materialets tjocklek och modul försämrar strukturens vibrations- och styvhetsegenskaper. Detta är till nackdel för komfort och köregenskaper. Förbättrade metoder för hur man ska kombinera nya material och tillverkningsteknik till strukturlösningar med optimerade
farkostegenskaper behövs. På grund av strukturbelastningarnas stokastiska natur under drift, dominerar utmattning, som brottorsak. Sprickor uppstår huvudsakligen vid fogar såsom punktsvetsar där den lokala spänningen är hög. Metoder för att förutsäga och undvika sprickstart behöver vidareutvecklas. Förbättrade analysmetoder behövs också för att hantera minskade marginaler i optimerade konstruktioner. Forskning i dessa områden kommer att fokusera på:
- Utmattning, sprickinitiering och tillväxt vid fogar
- Ljud- och vibrationsanalys
- Energiupptagning
- Analysmetoder för olika fogningsmetoder och material
Tillverkningsteknik
Utveckling av processparametrar för att möjliggöra optimering av strukturegenskaper med nya material och tillverkningstekniker är en omfattande uppgift. Ett stort antal fognings- och formningsprocesser såsom pressning, hydroformning, punktsvetsning, lasersvetsning, friction stir welding, clinchning, limning, och kombinationer av dessa används eller är under utveckling inom farkostindustrin. En bättre förståelse för de mekanismer, som styr dessa processer behövs. Forskning inom detta område omfattar:
- Processmodellering- och simulering
- Fogars egenskapsutveckling, analys och provning.
Mål
På nationell nivå stöder Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) forskning och forskarut-bildning inom området farkoststrukturer genom IVS-programmet (Integral Vehicle Structures). Detta program samlar de bästa forskargrupperna inom området vid svenska högskolor, institut och farkostindustrier. Chalmers är värdhögskola för IVS-programmet, och jag är programdirektör. Målet är att stärka strukturteknikbasen för farkostindustrin i Sverige och forskarutbilda specialister inom området.
Den sammantagn kraftsamlingen vid Chalmers på forskning inom området för farkoststrukturer är därigenom väl koordinerad med övrig nationell forskning (industri och högskola) inom området, och via de medverkande forskargruppernas nätverk även avstämd mot internationell forskning. Chalmers har en lång tradition av forskning inom området farkostkonstruktion, och har ut-vecklat ett omfattande samarbete med farkostindustrin. Det är vår avsikt att vidareutveckla denna bas och etablera ett "Center of Excellence" för farkoststrukturforskning vid Chalmers.
(Texten publicerades 2000 i skriften Ny kunskap)