Structural and economic comparison of stiffened and corrugated panels on rectangular tanks
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Solid Mechanics and Product Development
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
63 + 3
Series
Abstract
The task is to investigate whether the manufacturing costs of the steel structure of a membrane bioreactor (MBR) product can be reduced by using a stiffened panel structural design or a novel corrugated panel structural design. This study aims to provide an indication of the economic viability of alternative structural designs to support decision-making and further research. In this master’s thesis, the design criteria of the MBR structure are defined and then research work regarding the dimensioning of both panel options under lateral is studied. The studies are used to select the geometries of the panel designs and identify the design variables that most influence the strength of the panels. Then finite element static analysis combined with linear buckling analysis on multiple panel iterations is done, varying the values of design variables under design load. Using the data, the lowest weight iterations of both panel options are selected, under the assumption that lower weight corresponds to lower manufacturing costs. The MBR structure is redesigned using selected panels and two alternative early-stage structural designs are created. Finally, manufacturing costs are estimated with the help of a contract manufacturer and the economic viability of alternative structural designs is investigated by comparing the manufacturing cost with the manufacturing costs of the current design. The results are showing that a corrugated panel has a high weight reduction potential compared to a stiffened panel in the MBR structure. However, in terms of manufacturing costs, savings from using corrugated panels instead of stiffened panels are relatively small, and large sales volumes would be required to compromise the engineering costs of the created alternative structural design. It is concluded that stiffened steel panel structural design option provides a more promising cost-reduction opportunity for further research and allows for 5% estimated manufacturing cost savings.Tehtävänä on selvittää, voidaanko kalvobioreaktori (MBR) tuotteen teräsrakenteen valmistuskustannuksia alentaa käyttämällä rakenteessa jäykistettyjä paneeleita tai korrugoituja paneeleita. Tutkimuksen tavoitteena on antaa viitteitä vaihtoehtoisten rakenneratkaisuiden taloudellisesta kannattavuudesta päätöksenteon ja jatkotutkimusten tueksi. Diplomityössä määritellään MBR-rakenteen suunnitteluperusteet ja käydään läpi tutkimuksia liittyen kummankin paneelivaihtoehdon mitoitukseen tasoon nähden kohtisuoran kuorman alaisena. Tutkimusten avulla valitaan paneelimallien geometriat ja tunnistetaan paneelien lujuuteen eniten vaikuttavat suunnittelumuuttujat. Tämän jälkeen tehdään elementtimenetelmään pohjautuva lineaarinen analyysi ja lineaarinen nurjahdusanalyysi suunnittelukuorman alaisille paneelimalleille vaihdellen suunnittelumuuttujien arvoja. Tulosten perusteella valitaan molempien paneelivaihtoehtojen keveimmät iteraatiot olettaen, että keveämpi paino vastaa pienempiä valmistuskustannuksia. MBR-rakenne suunnitellaan uudelleen valittujen paneelien avulla ja luodaan kaksi vaihtoehtoista varhaisvaiheen rakenneratkaisua. Lopuksi sopimusvalmistajalta pyydetään arvio kahden vaihtoehtoisen rakennerakaisun valmistuskustannuksista ja näiden taloudellista kannattavuutta arvioidaan vertaamalla valmistuskustannuksia nykyisen rakenteen valmistuskustannuksiin. Tulokset osoittavat, että korrugoitu paneeli kestää suunnittelukuormaa huomattavasti paremmin kuin jäykistetty paneeli ja sillä voitaisiin keventää MBR-rakennetta merkittävästi. Valmistuskustannusten kannalta korrugoitujen paneeleiden käytöstä saatavat säästöt ovat kuitenkin suhteellisen pieniä verrattuna jäykistettyjen paneeleiden käytöstä saataviin säästöihin, ja korrugoiduista paneeleista luodun rakenneratkaisun suunnittelukustannusten kattaminen edellyttäisi suuria myyntimääriä. Johtopäätöksenä todetaan, että jäykistettyjen paneeleiden käyttö tarjoaa lupaavamman kustannussäästömahdollisuuden ja mahdollistaa arviolta 5 prosentin valmistuskustannussäästöt.Description
Supervisor
Tuhkuri, JukkaThesis advisor
Camino, AlejandroKeywords
steel tank structure, stiffened plate, corrugated plate, FEM, buckling analysis, manufacturing costs