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.

Development of Color Difference Equations Matching to Human Vision System

Research on color difference evaluation has been active in recent thirty years. Several color difference formulas were developed for industrial applications. The aims of this thesis are to develop the color density which is denoted by comb g and to propose the color density based chromaticity difference formulas. Color density is derived from the discrimination ellipse parameters and color positions in the xy , xyY and CIELAB color spaces, and the color based chromaticity difference formulas are compared with the line element formulas and CIE 2000 color difference formulas. As a result of the thesis, color density represents the perceived color difference accurately, and it could be used to characterize a color by the attribute of perceived color difference from this color.

Elintarvikekelpoisten painovärien vertailu offsetpainatuksessa

Tässä diplomityössä tutkittiin kolmen eri painovärivalmistajan elintarvikekelpoisia arkkioffsetpainovärisarjoja ja verrattiin niitä keskenään. Tavoitteena oli löytää optimaalinen elintarvikekartonkipakkausten painamiseen soveltuva arkkioffsetpainoväri. Työn kirjallisessa osassa selvitettiin yleisesti offsetpainatusprosessia, painovärien koostumusta ja elintarvikekelpoisten painovärien eroavaisuutta verrattuna perinteisiin offsetpainoväreihin. Kirjallisuusosassa tuotiin esille myös niitä tekijöitä, joilla elintarvikekelpoisuus määritellään. Näistä yksi tärkeä osa-alue on migraatio-ongelmat, joka on lainsäädännön kannalta ajankohtainen. Kokeellista osaa varten koepainovärejä painettiin taivekartongille arkkioffsetpainokoneella. Painetuista arkeista tehtiin mittauksia, joissa käytettiin densitometrisia, kolorimetrisia, kromatografisia ja aistinvaraisia menetelmiä. Näillä pyrittiin tuomaan esille eroavaisuuksia tutkittavana olleiden painovärien välille. Koeajojen ja mittausten perusteella analysoitiin painatuksen laatua, painettavuutta, painovärien elintarvikekelpoisuutta ja kestävyyttä. Työn tulosten perusteella ei voida suoraan osoittaa, että jokin painovärisarja olisi toimivampi kuin toinen. Yksi johtopäätös olikin, että painovärien koostumusta ja painatusprosessia on mahdollista modifioida monella tavalla, jolloin voidaan parantaa joitakin painovärin ominaisuuksia. Yleisesti kokeet osoittivat, että perinteinen aistinvarainen tapa testata painovärin elintarvikekelpoisuutta on hyvin subjektiivinen ja antaa arveluttavia tuloksia. Koetuloksista oli kuitenkin havaittavissa, että uuden sukupolven vähemmän migraatiota aiheuttavat painovärit ovat elintarvikekelpoisempia kuin aikaisempien kehitysasteiden painovärisarjat.

Teaching mathematics and programming : new approaches with empirical evaluation

Programming and mathematics are core areas of computer science (CS) and consequently also important parts of CS education. Introductory instruction in these two topics is, however, not without problems. Studies show that CS students find programming difficult to learn and that teaching mathematical topics to CS novices is challenging. One reason for the latter is the disconnection between mathematics and programming found in many CS curricula, which results in students not seeing the relevance of the subject for their studies. In addition, reports indicate that students' mathematical capability and maturity levels are dropping. The challenges faced when teaching mathematics and programming at CS departments can also be traced back to gaps in students' prior education. In Finland the high school curriculum does not include CS as a subject; instead, focus is on learning to use the computer and its applications as tools. Similarly, many of the mathematics courses emphasize application of formulas, while logic, formalisms and proofs, which are important in CS, are avoided. Consequently, high school graduates are not well prepared for studies in CS. Motivated by these challenges, the goal of the present work is to describe new approaches to teaching mathematics and programming aimed at addressing these issues: Structured derivations is a logic-based approach to teaching mathematics, where formalisms and justifications are made explicit. The aim is to help students become better at communicating their reasoning using mathematical language and logical notation at the same time as they become more confident with formalisms. The Python programming language was originally designed with education in mind, and has a simple syntax compared to many other popular languages. The aim of using it in instruction is to address algorithms and their implementation in a way that allows focus to be put on learning algorithmic thinking and programming instead of on learning a complex syntax. Invariant based programming is a diagrammatic approach to developing programs that are correct by construction. The approach is based on elementary propositional and predicate logic, and makes explicit the underlying mathematical foundations of programming. The aim is also to show how mathematics in general, and logic in particular, can be used to create better programs.

Työntömastotrukkien tuotannon optimointi

Tutkimuksessa luodaan Tuko Logistics Oy:n työntömastotrukkien toimintaa opti-moivia toimintaehdotuksia varastonohjausjärjestelmästä saatavan työntömastotruk-kidatan pohjalta. Tutkimus on toteutettu haastattelututkimuksena ja käyttäen apuna tieteellisiä julkaisuja. Tehtävien lomittamistutkimuksen ja loogiseen päättelyn tulok-sena on luotu kaksi toimintaehdotusta: A ja B. Toimintaehdotusten vaikutuksia van-haan järjestelmään verrataan mittareilla, joista osa on tehty jonoteorian jonomallien laskukaavojen pohjalta. Mittareita ovat: tehdyt tehtävät tunnissa, tuottamattoman ajon suhde tuottavaan, normaalitehtäväjonon pituus ja normaalitehtäväjonon koko-naisodotusaika. Toimintaehdotus B osoittautuu tehokkaammaksi ehdotukseksi, mutta Toimintaehdotus A:lla voi varmistaa tehtävien riittämisen työntömastotrukeille. Tut-kimuksessa ehdotetaan myös muita työntömastotrukkien toimintaa optimoivia muu-toksia, jotka voidaan ottaa käyttöön jokaisessa toimintamallissa.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

Nettipohjainen voimalaitosratkaisujen hinta-arviojärjestelmä

Työn tarkoitus on suunnitella ja toteuttaa nettipohjainen voimalaitosratkaisujen hinta-arviojärjestelmä Savonia Power Oy:n käyttöön. Järjestelmän tarkoitus on automatisoida voimalaitosratkaisujen tunnuslukujen laskeminen asiakkaan antamien alkuarvojen pohjalta ja tallentaa mahdollinen yhteydenottopyyntö. Järjestelmän vaatimuksina ovat laskentakaavojen helppo päivitettävyys, kaavojen automaattinen hakeminen Excel 2007–muotoisesta tiedostosta ja asiakasrajapinnan nettipohjaisuus. Työ jakaantuu kahteen osaan. Teoriaosassa selvitetään työssä käytettyjen tekniikoiden taustaa ja selvitetään Microsoftin OOXML-tiedostomuodon rakenne työssä vaadittavin osin. Käytännön osassa suunnitellaan ja osin toteutetaan valmis järjestelmä käyttäen PHP-kieltä, XML-määrittelykieltä ja MySQL-tietokantaa. Suurimmat haasteet järjestelmän toteutuksessa ovat laskentakaavojen parsiminen Excel-tiedostosta ilman sen sisällön tiukkaa rajoittamista tiettyihin raameihin ja järjestelmän helppo päivitys saaduilla laskentakaavoilla. Työn lopputuloksena on toimiva, muttei viimeistelty järjestelmä sekä tämä dokumentti. Työn suurin merkitys tulee olemaan edellä mainittujen suunnitteluhaasteiden selvittäminen, sekä valmis ohjelmarunko yleiseen käyttöön otetulle järjestelmälle.

The bifurcational behaviour of the spatially distributed Rayleigh equation

At the present work the bifurcational behaviour of the solutions of Rayleigh equation and corresponding spatially distributed system is being analysed. The conditions of oscillatory and monotonic loss of stability are obtained. In the case of oscillatory loss of stability, the analysis of linear spectral problem is being performed. For nonlinear problem, recurrent formulas for the general term of the asymptotic approximation of the self-oscillations are found, the stability of the periodic mode is analysed. Lyapunov-Schmidt method is being used for asymptotic approximation. The correlation between periodic solutions of ODE and PDE is being investigated. The influence of the diffusion on the frequency of self-oscillations is being analysed. Several numerical experiments are being performed in order to support theoretical findings.

Energy Efficiency Consideration in Electric Vehicle Transmission

This study is a survey of benefits and drawbacks of embedding a variable gearbox instead of a single reduction gear in electric vehicle powertrain from efficiency point of view. Losses due to a pair of spur gears meshing with involute teeth are modeled on the base of Coulomb’s law and fluid mechanics. The model for a variable gearbox is fulfilled and further employed in a complete vehicle simulation. Simulation model run for a single reduction gear then the results are taken as benchmark for other types of commonly used transmissions. Comparing power consumption, which is obtained from simulation model, shows that the extra load imposed by variable transmission components will shade the benefits of efficient operation of electric motor. The other accomplishment of this study is a combination of modified formulas that led to a new methodology for power loss prediction in gear meshing which is compatible with modern design and manufacturing technology.

Jatkuvan äänitehojakautuman algoritmi pitkien käytävien äänikenttien mallintamiseen

JÄKÄLA-algoritmi (Jatkuvan Äänitehojakautuman algoritmi Käytävien Äänikenttien LAskentaan) ja sen NUMO- ja APPRO-laskentayhtälöt perustuvat käytävällä olevan todellisen äänilähteen kuvalähteiden symmetriaan. NUMO on algoritmin numeerisen ratkaisun ja APPRO likiarvoratkaisun laskentayhtälö. Algoritmia johdettaessa oletettiin, että absorptiomateriaali oli jakautunut tasaisesti käytävän ääntä heijastaville pinnoille. Suorakaiteen muotoisen käytävän kuvalähdetason muunto jatkuvaksi äänitehojakautumaksi sisältää kolme muokkausvaihetta. Aluksi suorakaiteen kuvalähdetaso muunnetaan neliön muotoiseksi. Seuraavaksi neliön muotoisen kuvalähdetason samanarvoiset kuvalähteet siirretään koordinaattiakselille diskreetiksi kuvalähdejonoksi. Lopuksi kuvalähdejono muunnetaan jatkuvaksi äänitehojakautumaksi, jolloin käytävän vastaanottopisteen äänenpainetaso voidaan laskea integroimalla jatkuvan äänitehojakautuman yli. JÄKÄLA-algoritmin validiteetin toteamiseksi käytettiin testattua kaupallista AKURI-ohjelmaa. AKURI-ohjelma antoi myös hyvän käsityksen siitä, miten NUMO- ja APPRO-yhtälöillä lasketut arvot mahdollisesti eroavat todellisilla käytävillä mitatuista arvoista. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöitä testattiin myös vertaamalla niiden antamia tuloksia kolmen erityyppisen käytävän äänenpainetasomittauksiin. Tässä tutkimuksessa on osoitettu, että akustisen kuvateorian pohjalta on mahdollista johtaa laskenta-algoritmi, jota voidaan soveltaa pitkien käytävien äänikenttien pika-arvioinnissa paikan päällä. Sekä teoreettinen laskenta että käytännön äänenpainetasomittaukset todellisilla käytävillä osoittivat, että JÄKÄLA-algoritmin yhtälöiden ennustustarkkuus oli erinomainen ideaalikäytävillä ja hyvä niillä todellisilla käytävillä, joilla ei ollut ääntä heijastavia rakenteita. NUMO- ja APPRO-yhtälöt näyttäisivät toimivan hyvin käytävillä, joiden poikkileikkaus oli lähes neliön muotoinen ja joissa pintojen suurin absorptiokerroin oli korkeintaan kymmenen kertaa pienintä absorptiokerrointa suurempi. NUMO- ja APPRO-yhtälöiden suurin puute on, etteivät ne ota huomioon pintojen erilaisia absorptiokertoimia eivätkä esineistä heijastuvia ääniä. NUMO- ja APPRO- laskentayhtälöt poikkesivat mitatuista arvoista eniten käytävillä, joilla kahden vastakkaisen pinnan absorptiokerroin oli hyvin suuri ja toisen pintaparin hyvin pieni, ja käytävillä, joissa oli massiivisia, ääntä heijastavia pilareita ja palkkeja. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöt antoivat tutkituilla käytävillä kuitenkin selvästi tarkempia arvoja kuin Kuttruffin likiarvoyhtälö ja tilastollisen huoneakustiikan perusyhtälö. JÄKÄLA-algoritmin laskentatarkkuutta on testattu vain neljällä todellisella käytävällä. Algoritmin kehittämiseksi tulisi jatkossa käytävän vastakkaisia pintoja ja niiden absorptiokertoimia käsitellä laskennassa pareittain. Algoritmin validiteetin varmistamiseksi on mittauksia tehtävä lisää käytävillä, joiden absorptiomateriaalien jakautumat poikkeavat toisistaan.

Mixing in rotating drums

Tämän diplomityön tarkoitus on parantaa meesauunin toiminnallista tehokkuutta tehostamalla lämmönsiirtoa. Lämmönsiirron parantamiseksi kehitetään erilaisia nostinratkaisuja. Kokeita suoritetaan käyttäen eri sekoitinratkaisuja ja erilaisia prosessiparametreja. Työn kirjallisuusosassa esitetään meesauuni sekä rumpumaisten uunien toiminta. Työssä selvitetään myös sekoituksen analysointiin käytettäviä tapoja ja laskukaavoja. Kirjallisuusosassa keskitytään myös rummussa tapahtuviin fysikaalisiin ilmiöihin sekä erilaisten fluidien reologiaan. Työn kokeellisessa osassa käytettiin LUT Kemiantekniikalla suunniteltua pilot -kokoluokan rumpu-uunia, jolla kokeitaan suoritettiin, käyttäen erilaisia sekoitinratkaisuja ja sekoitusprosessiparametreja. Kokeissa käytettiin myös eri viskositeetin omaavia materiaaleja. Valitut materiaalit olivat vesi, CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja kiinteä meesa. Kokeiden tuloksena löydettiin nostinratkaisuja, joilla sekoittumista ja lämmönsiirtoa pystytään parantamaan sekä pidentämään viipymäaikaa.

Tasaisemmin jakaantuneen CIELAB-tyyppisen väriavaruuden määrittäminen värieroellipsien pääakselien eroja minimoimalla

Tässä työssä johdetaan lineaarimuunnoksella CIE x y z-värinsovitusfunktioista uudet värinsovitusfunktiot. Tarvittava muunnosmatriisi etsitään optimoimalla CIE ja BFD-RIT värieroellipsejä Matlab-ympäristössä. Työn tuloksena saatiin muunnosmatriisi, ja sillä muunnetut uudet värinsovitusfunktiot ja CIELAB-tyyppinen väriavaruus. Euklidisella etäisyydellä mitattuna CIE ja BFD-RIT värieroellipsien muoto ja koko paranivat noin kolmanneksen, mikä oli myös tavoitteena.

Toward including the effect of manufacturing processes in the pre-estimated losses of the switched reluctance motor

The estimation of losses plays a key role in the process of building any electrical machine. How to estimate those losses while designing any machine; by obtaining the characteristic of the electrical steel from the catalogue and calculate the losses. However, this way is inaccurate since the electrical steel performs several manufacturing processes during the process of building any machine, which affects directly the magnetic property of the electrical steel and accordingly the characteristic of the electrical steel will be affected. That means the B–H curve of the steel that was obtained from the catalogue will be changed. Moreover, during loading and rotating the machine, some important changes occur to the B–H characteristic of the electrical steel such as the stress on the laminated iron. Accordingly, the pre-estimated losses are completely far from the actual losses because they were estimated based on the data of the electrical steel obtained from the catalogue. So in order to estimate the losses precisely significant factors of the manufacturing processes must be included. The paper introduces the systematic estimation of the losses including the effect of one of the manufacturing factors. Similarly, any other manufacturing factor can be included in the pre-designed losses estimations.

Ohuiden päällystyskerrosten applikointi puukuitupohjaisille materiaaleille

Työn aiheena oli tutkia vaahdon soveltuvuutta ohuiden päällystyskerrosten applikointiin paperin tai kartongin pinnalle. Paperia ja kartonkia päällystetään teollisessa mittakaavassa eri menetelmillä, mutta niille kaikille yhteistä on päällystyspastan laimentaminen vedellä ennen applikointia ja laimennusveden haihduttaminen applikoinnin jälkeen päällysteen asettamiseksi. Laimennus on tärkeää pastan komponenttien tasaisen levittämisen vuoksi, mutta veden haihduttaminen kuluttaa valtavasti energiaa. Tekstiiliteollisuudessa on saavutettu merkittäviä säästöjä kuivausenergiassa korvaamalla laajalti vedellä laimentaminen vaahdottamisella. Diplomityön kirjallisessa osassa käytiin läpi vaahdon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä selvitettiin mitä kemikaaleja ja laitteita vaahdotukseen käytetään. Lisäksi luotiin katsaus vaahtoprosessien käyttöön tekstiiliteollisuudessa ja muilla aloilla. Kokeellinen osa koostui esikokeista, joissa selvitettiin pastan koostumuksen vaikutuksia vaahtoamiseen, ja pilot-mittakaavan koeajoista, joissa esikokeiden tuloksia hyödynnettiin. Esikokeissa huomiota kiinnitettiin varsinkin eri polyvinyylialkoholien (PVA) seosten erinomaiseen vaahtoavuuteen. Pilot-koeajoissa vaahtopäällystys vaikutti lupaavalta menetelmältä, joskaan täysin tyydyttävää päällystystulosta ei saavutettu. Suurimpana ongelmana esiintyi ilman pääseminen pohjapaperin ja päällysteen väliin ja siitä seuraava huono päällystejälki. Toisen ongelmakokonaisuuden muodostivat päällysteeseen jäävät reiät. Vaahtopäällystys vaikuttaa lupaavalta tekniikalta ohuiden päällystekerrosten applikointiin, mutta pastareseptejä tulee optimoida ja ratkaista päällysteen alle pääsevän ilman ongelma.