Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Analytical Study on the Influence of Geometrical Parameters on the Fatigue Strength of Welds with Undercuts

The purpose of this study is to analyze the influence of geometric parameters on the fatigue strength of the welded joint. The thesis includes the analytical study pertaining to variation of undercut and the weld toe radius. The theoretical part includes the concepts of fracture mechanics, different stages of the crack propagation and finally the results. The numerical results are obtained from FRANC2D/L. The results show that the fatigue strength of the welded structure depends on the parameters of the welds such as the weld toe radius, weld angle, height of the undercut and plate thickness. The results show that the fatigue life can be improved by having the undercut as minimum as possible. However there has been significant variation on the fatigue life of the structure when the weld toe radius is increased.

Kylmämuovatun putkipalkin väsyminen metsätyökoneen puomirakenteessa

Työssä on tutkittu kylmämuovatun suorakaideputkipalkin väsymistä metsätyökoneen puomirakenteen osana. Kylmämuovatun putkipalkin sisäpintaan syntyy käytössä puristavan ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta putkipalkin pituussuunnassa sekä seinämän läpi kasvavia säröjä. Työn tarkoituksena on ollut selvittää rakenteen väsymiskestoikä sekä säröytymisen aiheuttavat tekijät. Työssä on verrattu kestoikälaskentaan ja särönkasvuun sovellettujen murtumismekaniikan ja elementtimenetelmän tuloksia laboratoriokokeista saatuihin tuloksiin. Toisiaan tukevien tulosten perusteella kylmämuovausprosessissa syntyneiden jäännösjännitysten osuus särön ydintymisessä, kasvussa ja sen käyttäytymisessä on ulkoisen kuorman paikallisen vaikutuksen lisänä erittäin merkittävä. Putkipalkin väsyminen onkin jäännösjännityksistä riippuva särönkasvuilmiö.

Juotosmurtumat lyijyttömässä aaltojuotoksessa

Elektroniikkatuotannossa käytettävien lyijyä sisältävien materiaalien korvaaminen lyijyttömillä vaihtoehdoilla ei ole niin yksinkertaista, miltä se kuulostaa. Vaikka suuri osa materiaaleista muuttuukin, niin muutoksilla ei saa olla negatiivisia vaikutuksia tuotteiden luotettavuuteen. Diplomityössä tutkittiin lyijyttömillä juotteilla esiintyviä juotosmurtumia. Tavoitteena oli saada selville juotosmurtumia aiheuttavia ominaisuuksia materiaaleissa sekä selvittää aaltojuotoksen prosessiparametrien vaikutus murtumien syntymiseen. Tässä työssä tarkasteltiin alieutektisella tina-hopea-kupari (Sn/3.0Ag/0.5Cu)-juotteella varustetulla aaltojuotoslaitteistolla juotettuja testisarjoja. Juotoslaatua verrattiin eutektisella tina-kupari-nikkeli (SN100C)-juotteella juotettuihin piirilevyihin. Tutkimusta varten suunniteltiin testipiirilevy, jossa käytettiin ainoastaan lyijyttömiä komponentteja. Tutkimuksessa käytettiin kahta eri laminaattimateriaalia sekä kahta eri johdinpinnoitetta. Testilevyjä rasitettiin satunnaistärinätestillä sekä sääkaapissa lämpötilasyklillä. Juotosliitosten laatua ja luotettavuutta tutkittiin valo-, röntgen- ja elektronimikroskoopin avulla.

Väsymisen huomiointi laitteen ohjauksessa

Työssä selvitettiin väsymisen huomioivan ja minimoivan laitteen ohjausmenetelmiä. Väsymisilmiön huomioiva älykäs laite monitoroi itsenäisesti mm. väsymissäröjen kasvua ja muuttaa toimintaansa sen mukaisesti. Reagoinnin hyötyinä saavutetaan väsyttävästi kuormitetulle laitteelle mm. pidempi käyttöikä ja riskin hallinta, jossa laite tietää, miten sitä voidaan käyttää ennen vauriota ja sen jälkeen. Kunnossapitoon liittyen ennustetaan jäljellä olevaa käyttöikää, jolloin voidaan suunnitella huolto. Tutkimuksessa käsiteltiin mm. laitteiden ohjauksen tarvitsemia mittausmenetelmiä, mittaustiedon käsittelyä, vaurion luokittelua ja vauriota minimoivan ohjauksen rakennetta. Lisäksi käsiteltiin lyhyesti vaurion luokittelussa sekä ohjausreaktioiden ratkaisemisessa tarvittavia oppivia menetelmiä. Väsymistä minimoivan laitteen ohjauksen perusedellytys on laitteen kokemien rasitusten ja/tai suorituksen mittaaminen. Mittaustulosten perusteella määritetään vaurioitumista kuvaavat suureet. Ohjauksen vaurioon reagoivassa osassa määritetään tieto vaurioitumisen kriittisyydestä ja tämän perusteella tarvittava ohjauksen optimaalinen muutos sekä optimaalinen ohjaussignaali tai muu korjaava toimenpide. Ohjaus optimoidaan vaurioitumisnopeus minimoiden ja suorituskyky maksimoiden. Näiden välille etsitään sopiva tasapaino, jossa suorituskyvyn häviö on pieni mahdollisimman suurella vaurioitumisen pienenemisellä. Tämän jälkeen mittauksien avulla saadaan tieto korjatun ohjauksen vaikutuksesta vauriosuureisiin.

Päällystettyä hienopaperia valmistavan tuotantolinjan tuotannon tehokkuuden kehittäminen

Diplomityön tavoitteena on selvittää paperivioista aiheutuvien katkojen syyt paperikoneella ja pyrkiä löytämään ratkaisu ongelmiin erilaisia vianilmaisujärjestelmiä apuna käyttäen. Työssä analysoidaan laatuhylyn synty tuotantolinjan eri kohteissa. Lisäksi tilastoidaan häiriöseisokkisyyt ja sitä kautta pyritään painottamaan kunnossa-pidon tärkeyttä tuotantolinjan tehokkuudessa. Kirjallisuusosassa tutustutaan hyötysuhteen määritelmään ja käsitellään tuotantolinjan hyötysuhteeseen vaikuttavia tekijöitä. Kirjallisuusosassa selvitetään päällystetyn hienopaperin tuoteanalyysin avulla ominaisuudet, joilla on vaikutusta ajettavuuteen ja katkoherkkyyteen on-line päällystävällä hienopaperikoneella. Kokeellisessa osassa selvitetään tuotantoaikaa vähentävien tekijöiden syyt ja mahdolli-set aiheuttajat erilaisten vikaprofiilien avulla. Kokeellisessa osassa analysoidaan myös tuotantolinjan hylyn syntyyn vaikuttavat tekijät ja pyritään minimoimaan hylyn määrä. Pohjapaperin täplät aiheuttivat reikäkatkoja ja hylyn syntymistä kalanterin aukaisujen takia. Reunaviat ja kireysheitot aiheuttivat myös runsaasti katkoja. Lukuisat häiriöseisokit aiheuttivat aikahävikkiä. Häiriöseisokkeja aiheuttivat viat mekaanisissa laitteissa, narujen vaihdot ja rullausruuhkat. Telasuojelun aiheuttamat kalanterin aukaisut olivat työn alussa suurin paperin hylkäyssyy. Telasuojelun optimoinnin ja pohjapaperin täplien määrän vähenemisen myötä telasuojeluaukaisut vähenivät. Lajinvaihdot ja katkot olivat suurimmat hylyn aiheuttajat työn loppuaikana.

Fusion weld metal solidification:Continuum from weld interface to centerline

We present a brief résumé of the history of solidification research and key factors affecting the solidification of fusion welds. There is a general agreement of the basic solidification theory, albeit differing - even confusing - nomenclatures do exist, and Cases 2 and 3 (the Chalmers' basic boundary conditions for solidification, categorized by Savage as Cases) are variably emphasized. Model Frame, a tool helping to model the continuum of fusion weld solidification from start to end, is proposed. It incorporates the general solidification models, of which the pertinent ones are selected for the actual modeling. The basic models are the main solidification Cases 1…4. These discrete Cases are joined with Sub-Cases: models of Pfann, Flemings and others, bringing needed Sub-Case variables into the model. Model Frame depicts a grain growing from the weld interface to its centerline. Besides modeling, the Model Frame supports education and academic debate. The new mathematical modeling techniques will extend its use into multi-dimensional modeling, introducing new variables and increasing the modeling accuracy. We propose a model: melting/solidification-model (M/S-model) - predicting the solute profile at the start of the solidification of a fusion weld. This Case 3-based Sub-Case takes into account the melting stage, the solute back-diffusion in the solid, and the growth rate acceleration typical to fusion welds. We propose - based on works of Rutter & Chalmers, David & Vitek and our experimental results on copper - that NEGS-EGS-transition is not associated only with cellular-dendritic-transition. Solidification is studied experimentally on pure and doped copper with welding speed range from 0 to 200 cm/min, with one test at 3000 cm/min. Found were only planar and cellular structures, no dendrites - columnar or equiaxed. Cell sub structures: rows of cubic elements we call "cubelettes", "cell-bands" and "micro-cells", as well as an anomalous crack morphology "crack-eye", were detected, as well as microscopic hot crack nucleus we call "grain-lag cracks", caused by a grain slightly lagging behind its neighbors in arrival to the weld centerline. Varestraint test and R-test revealed a change of crack morphologies from centerline cracks to grainand cell boundary cracks with an increasing welding speed. High speed made the cracks invisible to bare eye and hardly detectable with light microscope, while electron microscope often revealed networks of fine micro-cracks.

The effects of some variables on CO2 laser-MAG hybrid welding

The CO2-laser-MAG hybrid welding process has been shown to be a productive choice for the welding industry, being used in e.g. the shipbuilding, pipe and beam manufacturing, and automotive industries. It provides an opportunity to increase the productivity of welding of joints containing air gaps compared with autogenous laser beam welding, with associated reductions in distortion and marked increases in welding speeds and penetration in comparison with both arc and autogenous laser welding. The literature study indicated that the phenomena of laser hybrid welding are mostly being studied using bead-on-plate welding or zero air gap configurations. This study shows it very clearly that the CO2 laser-MAG hybrid welding process is completely different, when there is a groove with an air gap. As in case of industrial use it is excepted that welding is performed for non-zero grooves, this study is of great importance for industrial applications. The results of this study indicate that by using a 6 kW CO2 laser-MAG hybrid welding process, the welding speed may also be increased if an air gap is present in the joint. Experimental trials indicated that the welding speed may be increased by 30-82% when compared with bead-on-plate welding, or welding of a joint with no air gap i.e. a joint prepared as optimum for autogenous laser welding. This study demonstrates very clearly, that the separation of the different processes, as well as the relative configurations of the processes (arc leading or trailing) affect welding performance significantly. These matters influence the droplet size and therefore the metal transfer mode, which in turn determined the resulting weld quality and the ability to bridge air gaps. Welding in bead-onplate mode, or of an I butt joint containing no air gap joint is facilitated by using a leading torch. This is due to the preheating effect of the arc, which increases the absorptivity of the work piece to the laser beam, enabling greater penetration and the use of higher welding speeds. With an air gap present, air gap bridging is more effectively achieved by using a trailing torch because of the lower arc power needed, the wider arc, and the movement of droplets predominantly towards the joint edges. The experiments showed, that the mode of metal transfer has a marked effect on gap bridgeability. Transfer of a single droplet per arc pulse may not be desirable if an air gap is present, because most of the droplets are directed towards the middle of the joint where no base material is present. In such cases, undercut is observed. Pulsed globular and rotational metal transfer modes enable molten metal to also be transferred to the joint edges, and are therefore superior metal transfer modes when bridging air gaps. It was also found very obvious, that process separation is an important factor in gap bridgeability. If process separation is too large, the resulting weld often exhibits sagging, or no weld may be formed at all as a result of the reduced interaction between the component processes. In contrast, if the processes are too close to one another, the processing region contains excess molten metal that may create difficulties for the keyhole to remain open. When the distance is optimised - i.e. a separation of 0-4 mm in this study, depending on the welding speed and beam-arc configuration - the processes act together, creating beneficial synergistic effects. The optimum process separation when using a trailing torch was found to be shorter (0-2 mm) than when a leading torch is used (2-4 mm); a result of the facilitation of weld pool motion when the latter configuration is adopted. This study demonstrates, that the MAG process used has a strong effect on the CO2-laser-MAG hybrid welding process. The laser beam welding component is relatively stable and easy to manage, with only two principal processing parameters (power and welding speed) needing to be adjusted. In contrast, the MAG process has a large number of processing parameters to optimise, all of which play an important role in the interaction between the laser beam and the arc. The parameters used for traditional MAG welding are often not optimal in achieving the most appropriate mode of metal transfer, and weld quality in laser hybrid welding, and must be optimised if the full range of benefits provided by hybrid welding are to be realised.

Customer driven business model – connecting customer value to firm resources in ICT value networks

The objective of this thesis is to provide a business model framework that connects customer value to firm resources and explains the change logic of the business model. Strategic supply management and especially dynamic value network management as its scope, the dissertation is based on basic economic theories, transaction cost economics and the resource-based view. The main research question is how the changing customer values should be taken into account when planning business in a networked environment. The main question is divided into questions that form the basic research problems for the separate case studies presented in the five Publications. This research adopts the case study strategy, and the constructive research approach within it. The material consists of data from several Delphi panels and expert workshops, software pilot documents, company financial statements and information on investor relations on the companies’ web sites. The cases used in this study are a mobile multi-player game value network, smart phone and “Skype mobile” services, the business models of AOL, eBay, Google, Amazon and a telecom operator, a virtual city portal business system and a multi-play offering. The main contribution of this dissertation is bridging the gap between firm resources and customer value. This has been done by theorizing the business model concept and connecting it to both the resource-based view and customer value. This thesis contributes to the resource-based view, which deals with customer value and firm resources needed to deliver the value but has a gap in explaining how the customer value changes should be connected to the changes in key resources. This dissertation also provides tools and processes for analyzing the customer value preferences of ICT services, constructing and analyzing business models and business concept innovation and conducting resource analysis.

Determination of compression behaviour of coating layer

The strength properties of paper coating layer are very important in converting and printing operations. Too great or low strength of the coating can affect several problems in printing. One of the problems caused by the strength of coating is the cracking at the fold. After printing the paper is folded to final form and the pages are stapled together. In folding the paper coating can crack causing aesthetic damage over printed image or in the worst case the centre sheet can fall off in stapling. When folding the paper other side undergoes tensile stresses and the other side compressive stresses. If the difference between these stresses is too high, the coating can crack on the folding. To better predict and prevent cracking at the fold it is good to know the strength properties of coating layer. It has measured earlier the tensile strength of coating layer but not the compressive strength. In this study it was tried to find some way to measure the compressive strength of the coating layer and investigate how different coatings behave in compression. It was used the short span crush test, which is used to measure the in-plane compressive strength of paperboards, to measure the compressive strength of the coating layer. In this method the free span of the specimen is very small which prevent buckling. It was measured the compressive strength of free coating films as well as coated paper. It was also measured the tensile strength and the Bendtsen air permeance of the coating film. The results showed that the shape of pigment has a great effect to the strength of coating. Platy pigment gave much better strength than round or needle-like pigment. On the other hand calcined kaolin, which is also platy but the particles are aggregated, decreased the strength substantially. The difference in the strength can be explained with packing of the particles which is affecting to the porosity and thus to the strength. The platy kaolin packs up much better than others and creates less porous structure. The results also showed that the binder properties have a great effect to the compressive strength of coating layer. The amount of latex and the glass transition temperature, Tg, affect to the strength. As the amount of latex is increasing, the strength of coating is increasing also. Larger amount of latex is binding the pigment particles better together and decreasing the porosity. Compressive strength was increasing when the Tg was increasing because the hard latex gives a stiffer and less elastic film than soft latex.

Strategiamenetelmän hyödyntäminen huonekaluliiketoiminnan kehittämisessä

Strategia on yrityksen toiminnan perusta. Perinteisillä toimialoilla ei välttämättä nähdä tavoitteellisen strategian tarpeellisuutta ja tärkeä strategiasuunnittelu jää toissijaiseksi. Löytämällä erottuva strategia omaa yritys kilpailuedun. Sinisen meren strategia on teoreettinen viitekehys luoda erilaistavaa liiketoimintaa. Strategian avulla voidaan tunnistaa ja luoda strategiaprofiili uudelle liiketoiminnalle jossa kilpailu ei tehnyt toiminnasta liian haavoittuvaista. Tämä nykytilanteen analysointiin ja siitä erilaistumiseen perustuva muutos voi liittyä itse tuotteeseen tai palveluun, sen tuotteistamiseen tai tuotteen jakelutien uudelleenasemointiin. Strategiatyön tarpeellisuus huonekalujen valmistamisessa ja myynnissä on muuttuvassa tilanteessa avainasemassa. Korkea valmistamisen kustannustaso ei mahdollista kilpailua edullisien tuontituotteiden kanssa ja korkeamman hintatason tuotteilla on toisaalta rajattu ostajakunta sisämarkkinoilla. Monelle toimijalle vientityön aloittaminen on riskialtis kustannuserä. Huonekaluteollisuudessa ja –jakeluteissä on ylikapasiteettia suhteessa kannattavaan liiketoimintaan. Erilaistavina markkinatekijöinä on pidetty hintaa molemmissa ääripäissä, laatua ja designiä. Hyvän jakelutien omaavat yritykset ovat hoitaneet valtakunnallisen myynnin karsien pienet toimijat alalta. Valmistuksessa innovatiivisuus perustuu lähinnä tehokkaaseen tuotantotekniikkaan, mikä osaltaan on nostanut investointien tasoa ja toteutuksen mielekkyyttä. Tuotteena huonekalu on kuitenkin teknisiltä ominaisuuksiltaan yleensä matala ja jo pienellä pääomalla on aloitettavissa tuotannollinen toiminta, mutta tällöin ei menestytä välttämättä tuottavuudessa. Uusina tekijöinä kompleksisessa tilanteessa on nähtävissä voimakkaasti tulossa oleva ympäristöarvojen suurempi huomioiminen. Näistä elementeistä voidaan etsiä strategiaprofiilin avulla uusia markkinarajapintoja, joissa kilpailutilanne mahdollistaa kannattavan liiketoiminnan. Työssä tutkitaan strategiamenetelmän hyödyntämismahdollisuutta, sen perusteita ja tarpeellisuutta perinteisen muutosjäykän teollisuudenalan ja kilpailtujen huonekalumarkkinoiden segmentissä. Uuden toimintamallin tarpeen, strategian, ymmärtämiseksi on tiedostettava ympäristössä tapahtuneet muutokset ja kartoitettava nykyinen strategiaprofiili. Tähän liittyen läpikäydään ne seikat jotka ovat aiheuttaneet nykytilanteen ja näin muutostarpeen tässä markkinassa.

Taajuusmuttajan vanheneminen syklisissä käytöissä

Tässä työssä tarkastellaan taajuusmuuttajan vanhenemista syklisissä käytöissä puolijohdetehokomponenttien osalta. Laitteiden vikaantumisprosessien analysoimiseksi työssä suunnitellaan syklinen kestotestausjärjestelmä, joka mahdollistaa useamman taajuusmuuttajan yhtäaikaisen vanhentamisen. Jaksottaisesti toistuvat kuormitussyklit rasittavat termomekaanisesti taajuusmuuttajan tehomoduulin sisäisiä rakenteita suurten lämpötilavaihtelujen johdosta. Teoriaosuuden pääpaino kohdistuu puolijohdetehokomponenttien rakenteeseen, vikaantumisprosesseihin ja eliniän kartoittamiseen. Työssä käydään läpi yleisimpien pienijännitteisten moottorinohjausinverttereiden tehomoduulien mekaaniset rakenteet, tyypillisemmät syklisestä kuormituksesta johtuvat vikaantumisprosessit sekä puolijohdetehokomponenttivalmistajien käyttämät syklisen eliniän testausmenetelmät. Loppuosassa työtä suunnitellaan taajuusmuuttajan syklinen kestotestausjärjestelmä laitteiden keinotekoista vanhentamista varten. Testausjärjestelmällä voidaan kuormittaa useampaa taajuusmuuttajaa vuorottain mielivaltaisella kuormitusvirtaprofiililla. Laitteita vanhennettiin kaksi testierää kuormittamalla niitä jaksottaisesti hissikäytön tyypillisellä kuormitusprofiililla. Puolijohdetehokomponentin vanhenemisen edistystä seurattiin termisen impedanssiketjun mittausmenetelmällä, joka perustuu IGBT:n kollektoriemitterijännitteen lämpötilariippuvuuteen. Testilaitteiden puolijohdetehokomponentit hajosivat syklisen eliniän päättymiseen teoriassa esitettyjen vikaantumisprosessien seurauksesta. Tehomoduulien vika-analyysi osoittaa syklisen kestotestausjärjestelmän soveltuvaksi menetelmäksi tutkia erilaisten kuormitusprofiilien vaikutusta taajuusmuuttajan vanhenemiseen.

Size Effect and Notch Size Effect in Metal Fatigue

It is a well known phenomenon that the constant amplitude fatigue limit of a large component is lower than the fatigue limit of a small specimen made of the same material. In notched components the opposite occurs: the fatigue limit defined as the maximum stress at the notch is higher than that achieved with smooth specimens. These two effects have been taken into account in most design handbooks with the help of experimental formulas or design curves. The basic idea of this study is that the size effect can mainly be explained by the statistical size effect. A component subjected to an alternating load can be assumed to form a sample of initiated cracks at the end of the crack initiation phase. The size of the sample depends on the size of the specimen in question. The main objective of this study is to develop a statistical model for the estimation of this kind of size effect. It was shown that the size of a sample of initiated cracks shall be based on the stressed surface area of the specimen. In case of varying stress distribution, an effective stress area must be calculated. It is based on the decreasing probability of equally sized initiated cracks at lower stress level. If the distribution function of the parent population of cracks is known, the distribution of the maximum crack size in a sample can be defined. This makes it possible to calculate an estimate of the largest expected crack in any sample size. The estimate of the fatigue limit can now be calculated with the help of the linear elastic fracture mechanics. In notched components another source of size effect has to be taken into account. If we think about two specimens which have similar shape, but the size is different, it can be seen that the stress gradient in the smaller specimen is steeper. If there is an initiated crack in both of them, the stress intensity factor at the crack in the larger specimen is higher. The second goal of this thesis is to create a calculation method for this factor which is called the geometric size effect. The proposed method for the calculation of the geometric size effect is also based on the use of the linear elastic fracture mechanics. It is possible to calculate an accurate value of the stress intensity factor in a non linear stress field using weight functions. The calculated stress intensity factor values at the initiated crack can be compared to the corresponding stress intensity factor due to constant stress. The notch size effect is calculated as the ratio of these stress intensity factors. The presented methods were tested against experimental results taken from three German doctoral works. Two candidates for the parent population of initiated cracks were found: the Weibull distribution and the log normal distribution. Both of them can be used successfully for the prediction of the statistical size effect for smooth specimens. In case of notched components the geometric size effect due to the stress gradient shall be combined with the statistical size effect. The proposed method gives good results as long as the notch in question is blunt enough. For very sharp notches, stress concentration factor about 5 or higher, the method does not give sufficient results. It was shown that the plastic portion of the strain becomes quite high at the root of this kind of notches. The use of the linear elastic fracture mechanics becomes therefore questionable.

A Practical Micro Mechanical Model Based Local Approach Methodology for the Analysis of Ductile Fracture of Welded T-Joints

This thesis concentrates on developing a practical local approach methodology based on micro mechanical models for the analysis of ductile fracture of welded joints. Two major problems involved in the local approach, namely the dilational constitutive relation reflecting the softening behaviour of material, and the failure criterion associated with the constitutive equation, have been studied in detail. Firstly, considerable efforts were made on the numerical integration and computer implementation for the non trivial dilational Gurson Tvergaard model. Considering the weaknesses of the widely used Euler forward integration algorithms, a family of generalized mid point algorithms is proposed for the Gurson Tvergaard model. Correspondingly, based on the decomposition of stresses into hydrostatic and deviatoric parts, an explicit seven parameter expression for the consistent tangent moduli of the algorithms is presented. This explicit formula avoids any matrix inversion during numerical iteration and thus greatly facilitates the computer implementation of the algorithms and increase the efficiency of the code. The accuracy of the proposed algorithms and other conventional algorithms has been assessed in a systematic manner in order to highlight the best algorithm for this study. The accurate and efficient performance of present finite element implementation of the proposed algorithms has been demonstrated by various numerical examples. It has been found that the true mid point algorithm (a = 0.5) is the most accurate one when the deviatoric strain increment is radial to the yield surface and it is very important to use the consistent tangent moduli in the Newton iteration procedure. Secondly, an assessment of the consistency of current local failure criteria for ductile fracture, the critical void growth criterion, the constant critical void volume fraction criterion and Thomason's plastic limit load failure criterion, has been made. Significant differences in the predictions of ductility by the three criteria were found. By assuming the void grows spherically and using the void volume fraction from the Gurson Tvergaard model to calculate the current void matrix geometry, Thomason's failure criterion has been modified and a new failure criterion for the Gurson Tvergaard model is presented. Comparison with Koplik and Needleman's finite element results shows that the new failure criterion is fairly accurate indeed. A novel feature of the new failure criterion is that a mechanism for void coalescence is incorporated into the constitutive model. Hence the material failure is a natural result of the development of macroscopic plastic flow and the microscopic internal necking mechanism. By the new failure criterion, the critical void volume fraction is not a material constant and the initial void volume fraction and/or void nucleation parameters essentially control the material failure. This feature is very desirable and makes the numerical calibration of void nucleation parameters(s) possible and physically sound. Thirdly, a local approach methodology based on the above two major contributions has been built up in ABAQUS via the user material subroutine UMAT and applied to welded T joints. By using the void nucleation parameters calibrated from simple smooth and notched specimens, it was found that the fracture behaviour of the welded T joints can be well predicted using present methodology. This application has shown how the damage parameters of both base material and heat affected zone (HAZ) material can be obtained in a step by step manner and how useful and capable the local approach methodology is in the analysis of fracture behaviour and crack development as well as structural integrity assessment of practical problems where non homogeneous materials are involved. Finally, a procedure for the possible engineering application of the present methodology is suggested and discussed.

Märkäosan lisäaineet ja kuituflokit konesihdin ympäristössä

Painelajittelu on yksi yleisimmistä yksikköprosesseista paperin ja sellun valmistuksessa. Suurelta osin lajittimet toimivat niille asetettujen vaatimusten mukaisesti, mutta joissakin tapauksissa lajittimissa saattaa esiintyä ei-toivottavaa kuitujen kasautumista sekä kehräymän muodostusta. Niiden seurauksena lajittimien kapasiteetti alenee ja lajittelutulos heikkenee. Tämän työn tarkoituksena on uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen selvittää miten kehräymät ja kuitukasaumat syntyvät painelajittimen sihtipinnalla ja miten retentioaineen syöttö sihdin ympäristössä vaikuttaa niiden syntyyn. Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan painelajittimen toimintaa, rakennetta sekä lyhyen kierron konesihdin erityispiirteitä. Lisäksi tarkastellaan retentiokemikaalien käyttäytymistä leikkausvoimien alaisuudessa ja kuitukehräymien syntyä painelajittimissa. Kokeellisessa osassa on raportoitu kuvantamisjärjestelmällä saatuja tuloksia sekä esitetään havaintoja kehräymien ja kuitukasaumien synnystä ja niiden vaikutuksista painelajittimen toimintaan. Kuvausten perusteella voidaan sanoa, että kehräymän syntyminen sihdissä vaatii aina jonkinlaisen kuitukasauman olemassaoloa. Tällaista alkukasaumaa tarvitaan, jotta kuidut voivat ankkuroitua siihen kiinni ja johon kiinnittyneenä kuidut alkavat pyöriä virtauksessa muodostaen kehräymää. Kuitukasauman muodostuminen painelajittimessa johtuu pääosin sihdissä olevasta epäjatkuvuuskohdasta, massassa olevista epäpuhtauksista ja kuituflokeista jotka jäävät kiinni sihtipinnan aukkoihin tai lajittimen kapasiteetin ylittymisestä. Kehräymän syntyä kasauman jäljessä voidaan pitää enemmän sääntönä kuin poikkeuksena, mutta kehräytyminen on vähäisempää reikäsihdillä kuin rakosihdillä. Silloituspolymeerillä flokattu massa ei muodosta herkemmin kuitukasaumia sihtipintaan verrattuna flokkaamattomaan massaan. Lajiteltavan massan sakeuden nosto vähentää kuitukasaumien ja kehräymien syntyä. Kuitukasaumien ja kehräymien välttämiseksi on tärkeää, että sihtiä ei ajeta suunniteltua mitoitusaluetta suuremmilla tuotannoilla tai virtauksilla.