Simulation of structural stress history based on dynamic analysis

Modern machine structures are often fabricated by welding. From a fatigue point of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical amount of computational effort. The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed up the product development process. Also, to take operator influence into account, real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required. This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed during dynamic simulation. The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural detail during or after dynamic simulation. In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed approach in practice. The results show that approach is applicable and can be used as proposed.

Uittonippujen sidelangan valinta ja sitomiskonstruktion suunnittelu

Työssä suunniteltiin uittonippujen sidonnan koneellistamiseksi tarvittavan sidontalangan käsittelylaitteisto. Sen toiminnalliset pääkomponentit ovat langan ohjauskouru, syöttölaite sekä solminta- ja katkaisulaitteet. Lisäksi työssä tehtiin koneelliseen sidontaan sopivan sidontalangan määrityksiä.

One chip solution for low-cost active magnetic bearing system

In this work the implementation of the active magnetic bearing control system in a single FPGA is studied. Requirements for the full magnetic bearing control system are reviewed. Different control methods for active magnetic bearings are described shortly. Flux and the current base controllers are implemented in a FPGA. Suitability of the con-trollers for a low-cost magnetic bearing application is studied. Floating-point arithmetic’s are used in the controllers to ease designing burden and improve calculation precision. Per-formance of the flux controller is verified with simulations.

Rasvankestävät paperit ja kartongit

Rasvankestävyydellä tarkoitetaan sitä, että materiaali hylkii tai kestää rasvaa tietyn ajan läpäisemättä sen pintaa. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja löytyy kaikkialta. Erilaiset ruuanvalmistuspaperit, kuten esimerkiksi leivinpaperi ja voipaperi, ovat rasvankestäviä. Myös pakkauksissa käytetään paljon rasvankestäviä papereita ja kartonkeja. Rasvankestäviltä tuotteilta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Pakkausmateriaaleilta vaaditaan esimerkiksi lujuutta ja kestävyyttä fyysistä rasitusta, valoa, hajuja ja mikrobeja vastaan. Ruuanvalmistusmateriaaleilta vaaditaan puolestaan lujuutta ja kestävyyttä lämpöä, kosteutta ja fyysistä rasitusta vastaan. Rasvankestäviltä papereilta vaaditaan rasvankestävyyden lisäksi hyvää vetolujuutta, märkälujuutta ja hyviä optisia ominaisuuksia. Neliömassan tulee asettua 20─80 g/m2 välille ja metallipitoisuudet eivät saa olla liian korkeat. Myös tuotteiden kierrätettävyys on nostanut asemaansa viimeaikoina. Tuotteen tuotannon ja itse tuotteen ympäristöystävällisyys ovat todella arvostettuja kuluttajan, tuottajan, Suomen, EU:n ja koko maailman näkökulmista. Jotta tuotteesta saadaan rasvankestävää, vaaditaan siltä erilaisia barrier-ominaisuuksia. Rasvankestävällä paperilla vaaditaan hyviä barrier-ominaisuuksia esimerkiksi rasvan, ilman, veden, vesihöyryn sekä hapen läpäisevyyksissä. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja voidaan valmistaa kemiallisilla ja mekaanisilla tavoilla. Happokäsittely ja fluorokemikaalien lisääminen ovat kemiallisia tapoja, kun taas sellun jauhaminen pitkään matalassa lämpötilassa on mekaaninen tapa valmistaa rasvankestävää paperia. Näiden tapojen lisäksi rasvankestäviä papereita voidaan tehdä erilaisten pinnoitusten avulla. Erilaiset muovit ovat yleisemmin käytettyjä pinnoitemateriaaleja. Esimerkiksi PE- ja PET-päällysteet ovat käytettyjä rasvankestävissä tuotteissa. Viime aikoina on kehitetty paljon erilaisia biomateriaaleja, joista voidaan tehdä rasvankestävä pinnoite. Lipideistä, hydrokolloideista ja erilaisista komposiiteista voidaan luoda uusien tekniikoiden avulla rasvankestäviä pinnoitteita. Rasvankestävyydestä voidaan saada jonkinlainen käsitys WVTR-asteen, Cobb-arvon ja kontaktikulman mittausten avulla. Rasvankestävyyttä voidaan myös mitata erilaisten standarditestien avulla. TAPPI:lla, ISO:lla ja ASTM:llä on useita erilaisia standardeja. Lähes kaikissa rasvankestävyysstandardeissa tuloksen saaminen perustuu visuaaliseen havaintoon, mikä aiheuttaa välillä hankaluuksia tulosten luotettavuuteen, koska tuloksen määrittää ihmissilmä, ja kaikilla testin tekijöillä on erilainen silmä, joka aistii eri tavalla.

Development of porous glass-fiber reinforced composite for bone implants. Evaluation of antimicrobial effect and implant fixation

Cranial bone reconstructions are necessary for correcting large skull bone defects due to trauma, tumors, infections and craniotomies. Traditional synthetic implant materials include solid or mesh titanium, various plastics and ceramics. Recently, biostable glass-fiber reinforced composites (FRC), which are based on bifunctional methacrylate resin, were introduced as novel implant solution. FRCs were originally developed and clinically used in dental applications. As a result of further in vitro and in vivo testing, these composites were also approved for clinical use in cranial surgery. To date, reconstructions of large bone defects were performed in 35 patients. This thesis is dedicated to the development of a novel FRC-based implant for cranial reconstructions. The proposed multi-component implant consists of three main parts: (i) porous FRC structure; (ii) bioactive glass granules embedded between FRC layers and (iii) a silver-polysaccharide nanocomposite coating. The porosity of the FRC structure should allow bone ingrowth. Bioactive glass as an osteopromotive material is expected to stimulate the formation of new bone. The polysaccharide coating is expected to prevent bacterial colonization of the implant. The FRC implants developed in this study are based on the porous network of randomly-oriented E-glass fibers bound together by non-resorbable photopolymerizable methacrylate resin. These structures had a total porosity of 10–70 volume %, of which > 70% were open pores. The pore sizes > 100 μm were in the biologically-relevant range (50-400 μm), which is essential for vascularization and bone ingrowth. Bone ingrowth into these structures was simulated by imbedding of porous FRC specimens in gypsum. Results of push-out tests indicated the increase in the shear strength and fracture toughness of the interface with the increase in the total porosity of FRC specimens. The osteopromotive effect of bioactive glass is based on its dissolution in the physiological environment. Here, calcium and phosphate ions, released from the glass, precipitated on the glass surface and its proximity (the FRC) and formed bone-like apatite. The biomineralization of the FRC structure, due to the bioactive glass reactions, was studied in Simulated Body Fluid (SBF) in static and dynamic conditions. An antimicrobial, non-cytotoxic polysaccharide coating, containing silver nanoparticles, was obtained through strong electrostatic interactions with the surface of FRC. In in vitro conditions the lactose-modified chitosan (chitlac) coating showed no signs of degradation within seven days of exposure to lysozyme or one day to hydrogen peroxide (H2O2). The antimicrobial efficacy of the coating was tested against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. The contact-active coating had an excellent short time antimicrobial effect. The coating neither affected the initial adhesion of microorganisms to the implant surface nor the biofilm formation after 24 h and 72 h of incubation. Silver ions released to the aqueous environment led to a reduction of bacterial growth in the culture medium.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Käyttöpääoman hallinta kolmessa kaupanalan case-yrityksessä 2008-2012

Käyttöpääoman tehokkuuden tarve on ajanut yritykset suunnittelemaan hankintojaan entistä tarkemmin, sillä käyttöpääomaan suuruuteen vaikuttavat ratkaisut tehdään yrityksen osto- ja myyntitoiminnoissa. Tässä kandidaatintutkielmassa tarkastellaan hankintatoimen merkitystä ja vaikutusta yrityksen käyttöpääomaan kolmen kaupanalan case-yrityksen avulla. Hankintatoimen hallintaa yrityksissä tarkastellaan käyttöpääoman sitoutumisella vaihto-omaisuuden varastoihin, osto- ja myyntisaamisiin sekä näiden kiertoaikoja. Tutkimus on toteutettu kirjallisuustutkimuksena hyödyntäen samalla valikoitujen pörssinoteerattujen case-yritysten tilinpäätöksiä ja vuosikertomuksia. Tutkimuksen empiirinen osa suoritetaan tilinpäätösanalyysinä, analysoiden valittujen caseyritysten tilinpäätöslukuja.

Toimintamalli kuormantarkastukseen ja kaatopaikkakelpoisuuden arviointiin

Vuoden 2016 alusta alkaen astuu Suomessa voimaan orgaanisen jätteen kaatopaikkakielto, joka rajoittaa voimakkaasti biohajoavan tai muun orgaanisen aineksen sijoittamista kaatopaikalle. Kiellon tavoite on ohjata orgaaniset jätevirrat hyödyntämiskäsittelyyn ja vähentää kaatopaikkasijoituksen ympäristövaikutuksia. Tämän diplomityön tavoitteena oli orgaanisen jätteen kaatopaikkakieltoon varautumiseksi luoda toimintamalli jätekuormien vastaanottoon, tarkastukseen ja käsittelyyn Keltakankaan jätekeskuksessa. Vuonna 2016 käyttöön otettavassa toimintamallissa kaatopaikalle sijoitetaan vain kaatopaikkakelpoiseksi todistettuja teollisuuden jätteitä ja asbestijätettä, epäorgaanisia jakeita sekä sekalaisen jätteen lajittelussa tai mekaanisessa käsittelyssä syntyviä hyödyntämiskelvottomia rejektejä. Usea tällä hetkellä kaatopaikalle sijoitettava jätelaji ohjautuu vaihtoehtoiseen käsittelyyn. Toimintamallin mukaan kaikki jätekeskukseen vastaanotettavat sekalaiset jätekuormat ohjataan tarkastettavaksi, esikäsiteltäväksi ja tarvittaessa mekaaniseen lajittelulinjastoon kaatopaikkasijoittamisen sijaan. Ongelmallinen jae on hyödyntämiskelvoton PVC-muovi, joka nostaa rejektien orgaanisen aineksen pitoisuutta. Niin kauan kuin PVC:lle ei ole olemassa hyötykäyttökohdetta, se ohjautunee poikkeusluvalla jätteenkäsittelyn rejektien mukana kaatopaikalle. Aiemmin sekalaisesta jätteestä 70–80 % on sijoitettu kaatopaikalle, mutta uusi lajittelulinjasto mahdollistaa käsiteltävän jätemäärä voimakkaan kasvattamisen. Toimintamallin testausvaiheessa vastaanotetuista sekalaisista kuormista luokiteltiin 11 % energiahyödynnettäviksi kotitalousjätteen kaltaisiksi, 69 % lajittelulinjastossa käsiteltäviksi ja 20 % hyödyntämiskelvottomaksi kaatopaikkajätteeksi. Kaatopaikalle sijoitettava kokonaisjätemäärä on uuden toimintamallin myötä mahdollista puolittaa, kun sekalaisen jätteen käsittelyä lisätään ja useat muut jätelajit ohjautuvat vaihtoehtoiseen käsittelyyn.

Potential and Challenges of Analog Reconfigurable Computation in Modern and Future CMOS

In this work, the feasibility of the floating-gate technology in analog computing platforms in a scaled down general-purpose CMOS technology is considered. When the technology is scaled down the performance of analog circuits tends to get worse because the process parameters are optimized for digital transistors and the scaling involves the reduction of supply voltages. Generally, the challenge in analog circuit design is that all salient design metrics such as power, area, bandwidth and accuracy are interrelated. Furthermore, poor flexibility, i.e. lack of reconfigurability, the reuse of IP etc., can be considered the most severe weakness of analog hardware. On this account, digital calibration schemes are often required for improved performance or yield enhancement, whereas high flexibility/reconfigurability can not be easily achieved. Here, it is discussed whether it is possible to work around these obstacles by using floating-gate transistors (FGTs), and analyze problems associated with the practical implementation. FGT technology is attractive because it is electrically programmable and also features a charge-based built-in non-volatile memory. Apart from being ideal for canceling the circuit non-idealities due to process variations, the FGTs can also be used as computational or adaptive elements in analog circuits. The nominal gate oxide thickness in the deep sub-micron (DSM) processes is too thin to support robust charge retention and consequently the FGT becomes leaky. In principle, non-leaky FGTs can be implemented in a scaled down process without any special masks by using “double”-oxide transistors intended for providing devices that operate with higher supply voltages than general purpose devices. However, in practice the technology scaling poses several challenges which are addressed in this thesis. To provide a sufficiently wide-ranging survey, six prototype chips with varying complexity were implemented in four different DSM process nodes and investigated from this perspective. The focus is on non-leaky FGTs, but the presented autozeroing floating-gate amplifier (AFGA) demonstrates that leaky FGTs may also find a use. The simplest test structures contain only a few transistors, whereas the most complex experimental chip is an implementation of a spiking neural network (SNN) which comprises thousands of active and passive devices. More precisely, it is a fully connected (256 FGT synapses) two-layer spiking neural network (SNN), where the adaptive properties of FGT are taken advantage of. A compact realization of Spike Timing Dependent Plasticity (STDP) within the SNN is one of the key contributions of this thesis. Finally, the considerations in this thesis extend beyond CMOS to emerging nanodevices. To this end, one promising emerging nanoscale circuit element - memristor - is reviewed and its applicability for analog processing is considered. Furthermore, it is discussed how the FGT technology can be used to prototype computation paradigms compatible with these emerging two-terminal nanoscale devices in a mature and widely available CMOS technology.

Puuperäiset polymeerit synteettisten sideaineiden korvaajina

Tämän kandidaatintyön aiheena oli löytää biojalostamon näkökulmasta käyttökelpoisia tuotantoreittejä puuperäisistä materiaaleista bioperäisiin kemikaaleihin, joilla olisi mahdollista korvata synteettisiä sideaineita. Tällä hetkellä suurin osa sideaineista ja päällystemateriaaleista tuotetaan uusiutumattomista luonnonvaroista, kuten maakaasusta ja öljystä. Lopputuotteiden kierrätettävyyden ja vihreyden ohella yksi metsäteollisuuden tulevaisuuden trendejä on pyrkiä irti öljy- ja maakaasuriippuvuudesta. Muutoksella voidaan säästää sekä ympäristöä, että rahaa. Biopohjaisilla drop-in kemikaaleilla ja muilla biopohjaisilla vaihtoehdoilla tämä on mahdollista Tässä työssä tutkittiin ja havainnollistettiin mahdollisin tuotantoreitein useiden tällä hetkellä käytössä olevien sideaineiden korvaamista biopohjaisilla versioilla. Työ tehtiin kirjallisuustutkielmana, eikä siihen kuulunut laboratoriokokeita. Työn ensimmäisessä osassa painopiste on biojalostamossa ja dispersiopäällystyksessä. Toisessa osassa esitellään tällä hetkellä käytettyjä sideaineita ja niiden mahdollisia biopohjaisia korvaajia tuotantoreitteineen. Työn toissijainen tarkoitus oli selvittää lyhyesti mitä muita puuperäisiä komponentteja voidaan käyttää suoraan paperin ja kartongin päällystämiseen. Viimeiseksi on esitelty vielä lyhyesti kaupallisesti käytössä olevia biomuoveja ja päällysteitä.

Sekajätteen koostumustutkimusten luokitteluohjeen päivittäminen ja testaaminen

Tässä diplomityössä päivitettiin ja testattiin sekajätteen koostumustutkimuksiin tarkoitettua jätejakeiden luokitteluohjetta. Työn tavoitteena oli selvittää, miten luokitteluohje vastaa jätelainsäädännön muutoksiin ja tavoitteisiin, miten ohje toimii käytännössä sekä miten luokitteluohjetta tulee päivittää, jotta se sekä vastaa jätelainsäädännön ja jätealan toimijoiden tietotarpeisiin sekajätteen koostumuksesta että toimii myös käytännössä. Työssä toteutettiin kyselytutkimus ja kaksi sekajätteen koostumustutkimusta. Jätealan toimijoille lähetetyn kyselyn avulla kartoitettiin luokitteluohjeen kehityskohtia. Kyselytutkimuksen vastaajat kokivat, että luokitteluohjeessa on eniten kehitettävää muovien luokittelussa. Muovien luokittelun lisäksi biojätteen sekä kierrätettävien ja vaarallisten jätteiden luokitteluun liittyvät mahdolliset kehityskohdat muodostettiin kyselyn vastausten perusteella. Sekajätteen koostumustutkimusten avulla testattiin luokitteluohjeen toimivuutta. Koostumustutkimukset toteutettiin ohjeen tarkimman tason mukaisesti. Jätteiden lajittelu osoittautui huomattavasti hitaammaksi kuin etukäteen oli arvioitu. Lisäksi monia materiaaleja sisältävien jätteiden lajittelu oli haasteellista molemmissa tutkimuksissa. Luokitteluohjetta päivitettiin kyselytutkimuksen ja koostumustutkimusten perusteella. Jätteet on luokiteltu päivitetyssä ohjeessa alkuperäisen ohjeen tavoin jätemateriaalien perusteella. Luokitteluohjetta päivitettiin jäteluokkien termistön sekä keittiöjätteen ja kierrätettävien jätteiden luokittelun osalta. Päivitetyn ohjeen avulla koostumustutkimuksen toteuttaja saa enemmän tietoa sekajätteestä biojätteen sekä kierrätettävien jätteiden osalta, mikä on tärkeää jätelainsäädännöllisten tavoitteiden kannalta.

Yhdyskuntajätteen mekaanisen erottelun erotustehokkuus

EU:n jätehierarkia asettaa jätteenkäsittelyssä materiaalien hyötykäytön energiahyötykäytön edelle. EU on asettanut korkeat tavoitteet jätteenkierrätykseen, 50 painoprosenttia kotitalousjätteestä on ohjattava kierrätykseen vuoteen 2020 mennessä. Suomessa kaatopaikoista on pyritty eroon lisäämällä jätteenpolttokapasiteettia. Jätteiden hyödyntämisen osalta tilanne Suomessa on hyvä, mutta kierrätystavoitteiden täyttyminen nykyisillä toimilla vaikuttaa epätodennäköiseltä. Tässä työssä selvitetään mitä mekaanisia jätteen erottelumenetelmiä maailmalla on käytössä ja kuinka tehokkaita ne ovat. Työn tavoitteena on tutkia voitaisiinko kierrätystä Suomessa tehostaa yhdyskuntajätteen mekaanisella käsittelyllä. Kirjallisuusselvityksen lisäksi työssä on simuloitu mekaanisia erotteluketjuja ja verrattu niillä saatuja tuloksia Suomen syntypaikkalajittelun tasoon. Tämän tutkimuksen perusteella, mikään yksittäinen mekaaninen erottelumenetelmä ei riittävän tehokas erottelemaan kierrätettäviä materiaaleja yhdyskuntajätteestä. Mekaanisia erottelumenetelmiä tulee yhdistää lajittelulinjastoiksi, joiden optimoiminen on monen tekijän summa. Lajittelulinjaston suunnitteluun vaikuttavat muun muassa lähtömateriaalin laatu ja lopputuotteiden käyttötarkoitukset. Yhdyskuntajätteen sisältämä biojäte likaa herkästi muut jätteet ja vaikeuttaa mekaanisesti eroteltujen jätejakeiden uudelleenkäyttöä. Biojätteen poistaminen muiden jätteiden joukosta olisi ensiarvoisen tärkeää mekaanisen erotuksen tehokkuuden kannalta. Mekaaniset erotteluketjut poistavat tehokkaasti biojätettä ja metalleja, mutta lasin ja kuitujen osalta erotusketjujen tehokkuudet jäävät alhaisiksi. Muovien osalta mekaaninen erottelu voi parhaimmillaan ollaan erittäin tehokasta, toisaalta vaatimukset lähtömateriaalin laadulle ovat suuret. Muovien osalta syntypaikkalajittelun ja mekaanisen erottelun yhtäaikainen tehostaminen voisi tarjota ratkaisun kierrätysasteen nostamiseen.

Functionalisation of spruce O-acetyl-galactoglucomannans for barrier and composite applications

The increasing use of energy, food, and materials by the growing population in the world is leading to the situation where alternative solutions from renewable carbon resources are sought after. The growing use of plastics depends on the raw-oil production while oil refining are politically governed and required for the polymer manufacturing is not sustainable in terms of carbon footprint. The amount of packaging is also increasing. Packaging is not only utilising cardboard and paper, but also plastics. The synthetic petroleum-derived plastics and inner-coatings in food packaging can be substituted with polymeric material from the renewable resources. The trees in Finnish forests constitute a huge resource, which ought to be utilised more effectively than it is today. One underutilised component of the forests is the wood-derived hemicelluloses, although Spruce Oacetyl-galactoglucomannans (GGMs) have previously shown high potential for material applications and can be recovered in large scale. Hemicelluloses are hydrophilic in their native state, which restrains the use of them for food packaging as non-dry item. To cope with this challenge, we intended to make GGMs more hydrophobic or amphiphilic by chemical grafting and consequently with the focus of using them for barrier applications. Methods of esterification with anhydrides and cationic etherification with a trimethyl ammonium moiety were established. A method of controlled synthesis to obtain the desired properties by the means of altering temperature, reaction time, the quantity of the reagent, and even the solvent for purification of the products was developed. Numerous analytical tools, such as NMR, FTIR, SEC-MALLS/RI, MALDI-TOF-MS, RP-HPLC and polyelectrolyte titration were used to evaluate the products from different perspectives and to acquire parallel proofs of their chemical structure. Modified GGMs with different degree of substitution and the correlating level of hydrophobicity was applied as coatings on cartonboard and on nanofibrillated cellulose-GGM films to exhibit barrier functionality. The water dispersibility in processing was maintained with GGM esters with low DS. The use of chemically functionalised GGM was evaluated for the use as barriers against water, oxygen and grease for the food packaging purposes. The results show undoubtedly that GGM derivatives exhibit high potential to function as a barrier material in food packaging.

Real-time simulation of multibody systems with applications for working mobile vehicles

This dissertation describes an approach for developing a real-time simulation for working mobile vehicles based on multibody modeling. The use of multibody modeling allows comprehensive description of the constrained motion of the mechanical systems involved and permits real-time solving of the equations of motion. By carefully selecting the multibody formulation method to be used, it is possible to increase the accuracy of the multibody model while at the same time solving equations of motion in real-time. In this study, a multibody procedure based on semi-recursive and augmented Lagrangian methods for real-time dynamic simulation application is studied in detail. In the semirecursive approach, a velocity transformation matrix is introduced to describe the dependent coordinates into relative (joint) coordinates, which reduces the size of the generalized coordinates. The augmented Lagrangian method is based on usage of global coordinates and, in that method, constraints are accounted using an iterative process. A multibody system can be modelled as either rigid or flexible bodies. When using flexible bodies, the system can be described using a floating frame of reference formulation. In this method, the deformation mode needed can be obtained from the finite element model. As the finite element model typically involves large number of degrees of freedom, reduced number of deformation modes can be obtained by employing model order reduction method such as Guyan reduction, Craig-Bampton method and Krylov subspace as shown in this study The constrained motion of the working mobile vehicles is actuated by the force from the hydraulic actuator. In this study, the hydraulic system is modeled using lumped fluid theory, in which the hydraulic circuit is divided into volumes. In this approach, the pressure wave propagation in the hoses and pipes is neglected. The contact modeling is divided into two stages: contact detection and contact response. Contact detection determines when and where the contact occurs, and contact response provides the force acting at the collision point. The friction between tire and ground is modelled using the LuGre friction model, which describes the frictional force between two surfaces. Typically, the equations of motion are solved in the full matrices format, where the sparsity of the matrices is not considered. Increasing the number of bodies and constraint equations leads to the system matrices becoming large and sparse in structure. To increase the computational efficiency, a technique for solution of sparse matrices is proposed in this dissertation and its implementation demonstrated. To assess the computing efficiency, augmented Lagrangian and semi-recursive methods are implemented employing a sparse matrix technique. From the numerical example, the results show that the proposed approach is applicable and produced appropriate results within the real-time period.

Effect of Material Recycling on the Feasibility of Solid Recovered Fuel Fired Power Plant

This master’s thesis examines the effects of increased material recycling on different waste-to-energy concepts. With background study and a developed techno-economic computational method the feasibility of chosen scenarios with different combinations of mechanical treatment and waste firing technologies can be evaluated. The background study covers the waste scene of Finland, and potential market areas Poland and France. Calculated cases concentrate on municipal solid waste treatment in the Finnish operational environment. The chosen methodology to approach the objectives is techno-economic feasibility assessment. It combines calculation methods of literature and practical engineering to define the material and energy balances in chosen scenarios. The calculation results together with other operational and financial data can be concluded to net present values compared between the scenarios. For the comparison, four scenarios, most vital and alternative between each other, are established. The baseline scenario is grate firing of source separated mixed municipal solid waste. Second scenario is fluidized bed combustion of solid recovered fuel produced in mechanical treatment process with metal separation. Third scenario combines a biomaterial separation process to the solid recovered fuels preparation and in the last scenario plastics are separated in addition to the previous operations. The results indicated that the mechanical treatment scenarios still need to overcome some problems to become feasible. Problems are related to profitability, residue disposal and technical reliability. Many uncertainties are also related to the data gathered over waste characteristics, technical performance and markets. With legislative support and development of further processing technologies and markets of the recycled materials the scenarios with biomaterial and plastic separation may operate feasibly in the future.