Lujasta teräksestä valmistetun palkin poikkileikkauksen optimointi

Parin viime vuosikymmenen aikana on kehitetty huomattavasti entistä lujempia teräslaatuja, joiden käyttö ei kuitenkaan ole yleistynyt läheskään samaan tahtiin. Korkeamman hinnan lisäksi yksi merkittävä syy tähän on, että suunnittelijoilla ei usein ole riittäviä tietoja siitä, millaisissa tilanteissa lujemman teräslaadun käytöstä on merkittävää hyötyä. Tilannetta ei myöskään helpota se, että käytössä olevat standardit eivät tarjoa lainkaan ohjeistusta kaikkein lujimpien, myötörajaltaan yli 700MPa terästen käyttöön ja mitoitukseen. Tässä työssä pyritään tarjoamaan suunnittelijalle ohjeita ja nyrkkisääntöjä sopivan lujuusluokan ja profiilin valintaan sekä yleisesti lujempien teräslaatujen käyttöön. Lujemman teräslaadun käytöllä voidaan keventää suunniteltavaa rakennetta ja saada aikaan huomattavia painonsäästöjä. Usein ongelmaksi nousevat kuitenkin stabiiliuskriteerit, sillä teräksen lommahduskestävyys määräytyy suuresti sen lujuusluokasta siten, että mitä lujempaa teräs on, sitä helpommin se lommahtaa. Kun tämä yhdistetään siihen, että lujempaa terästä käytettäessä rakenteesta tulee optimoituna muutenkin pienempi ja kevyempi, kasvaa näiden kahden asian yhteisvaikutuksena kantokyvyn mukaan mitoitetun rakenteen taipuma korkeampiin lujuusluokkiin edetessä hyvin nopeasti sallittujen rajojen yli. Työssä etsitään siksi keinoja sopivan kompromissin löytämiseksi lujuuden ja jäykkyyden välille. Koska muotoilulla ja poikkileikkauksella on suuri merkitys sekä taipuman että stabiliteetin kannalta, tutkitaan erilaisia poikkileikkausvaihtoehtoja ja etsitään optimaalista poikkileikkausta taivutuspalkille matemaattisen optimointimallin avulla. Kun eri poikkileikkausvaihtoehdot on käsitelty ja optimoitu taivutuksen suhteen, tutkitaan poikkileikkauksia myös muissa kuormitustapauksissa. Huomattavan raskaan laskentatyön takia apuna käytetään Matlab-ohjelmistoa itse optimointiin ja Femap-ohjelmaa muiden kuormitustapausten tutkimiseen ja tulosten verifioitiin.

Suurlujuusteräksisen ruuviliitoksen fretting-väsyminen

Tässä kandidaatintyössä selvitetään suurlujuusteräksestä S960 valmistetun ruuviliitoksen alttiutta fretting-väsymiselle. Fretting on ilmiö, jossa syklinen ulkoinen kuorma aiheuttaa tiukasti puristuksissa olevien kontaktipintojen välille pientä suhteellista mikroliikettä. Fretting-väsymisessä mikroliike ja kontaktijännitykset aiheuttavat rakenteeseen särön muodostumisen. Tutkimuksessa käytettiin menetelmätriangulaatiota ja tutkimusmenetelmiksi valittiin kirjallisuusselvitys, FE-laskenta ja laboratoriokoe. Tutkimuksissa havaittiin, että matalalujuusteräksinen ruuviliitos kestää fretting-väsymistä erinomaisesti, kun taas suurlujuusteräksen kestävyys on huomattavasti heikompi. Tutkimuksessa havaittiin myös, että ruuviliitos aiheuttaa kontaktipintojen erkanemista, mikä muuttaa kontaktijännitysjakaumaa. Myös materiaalin kitkakertoimella on suuri merkitys rakenteen kontaktijännitysjakaumaan etenkin ruuvin reiän läheisyydessä.

Distortion and internal warping torsion of a double symmetric hollow section

This thesis is made in cooperation with Laboratory of Steel Structures and the steel company SSAB. Maximization of the benefits of high-strength steel usually requires the usage of thin wall thicknesses. This means the failures related to buckling, distortion and warping stand out. One must be aware of these phenomena to design thin-walled structures stressed with forces such as torsional loading. It is also important to take into account small stress ranges when evaluating the accurate fatigue strength of structures. The objective of this thesis is to clarify the theory of the uniform and non-uniform torsion. This paper focuses on warping due to the non-uniform torsion in double symmetric box girder and structural hollow section. The arisen stress states are explained and researched using the finite element method. Another research target is the distortion in double symmetric box girder due to torsion, and the restraining effect of transverse diaphragms at the load end. Multiple transverse diaphragms are used to study more efficient restraining against warping and distortion than a common one end plate structure.

Lujien terästen laserhitsaus

Työn tavoitteena oli tarkastella lujien terästen laserhitsausta ja pohtia niiden yhteiskäytön mahdollisuuksia tulevaisuudessa. Tarkoituksena oli selvittää, miten nykyiset laserhitsauslaitteistot soveltuvat lujien terästen hitsaukseen ja mitä hyötyjä laserhitsauksella saavutetaan verrattuna perinteisimpiin hitsausmenetelmiiin.

Stresses of a boat trailer

In this thesis work, a strength analysis is made for a boat trailer. The studied trailer structure is manufactured from Ruukki’s structural steel S420. The main focus in this work is in the trailer’s frame. The investigation process consists two main stages. These stages are strain gage measurements and finite elements analysis. Strain gage measurements were performed to the current boat trailer in February 2015. Static durability and fatigue life of the trailer are analyzed with finite element analysis and with two different materials. These materials are the current trailer material Ruukki’s structural steel S420 and new option material high strength precision tube Form 800. The main target by using high strength steel in a trailer is weight reduction. The applied fatigue analysis methods are effective notch stress and structural hot spot stress approaches. The target of these strength analyses is to determine if it is reasonable to change the trailer material to high strength steel. The static strengths of the S420 and Form 800 trailers is sufficient. The fatigue strength of the Form 800 trailer is considerably lower than the fatigue strength of the S420 trailer. For future research, the effect of hot dip galvanization to the high strength steel has to be investigated. The effect of hot dip galvanization to the trailer is investigated by laboratory tests that are not included in this thesis.

Teleskooppipuomin valmistuksen kehittäminen

KESLA 2110T -autonosturin siirtopuomin teleskooppimainen rakenne koostuu kolmesta sisäkkäin menevästä puomista. Näiden puomien muodonmuutokset ja mittavaihtelut ovat kriittisiä seikkoja siirtopuomin kokoonpantavuuden kannalta. Liian suuret muodonmuutokset ja mittavaihtelut aiheuttavat ylimääräistä työtä siirtopuomien kokoonpanossa, mikä lisää tuotteen läpimenoaikaa ja valmistuskustannuksia. Työssä pyrittiin selvittämään valmistusprosessin kriittisimmät osat kokoonpantavuuden kannalta sekä varmistamaan niiden vaikutus mittauksin. Valmistusprosessin ongelmakohtia selvitettiin ensin haastattelemalla tuotannon työntekijöitä ja toimihenkilöitä. Saatujen tuloksien perusteella suunniteltiin tarkoituksenmukaiset mittausjärjestelyt, joilla valmistusprosessin ongelmakohdat voidaan todeta. Mittaukset suoritettiin kahdelle viiden siirtopuomin koesarjalle ja samalla kehitettiin valmistusprosessia. Puomien mittauksissa keskityttiin kokoonpanon kannalta kriittisiin mittoihin. Mittatuloksia arvioidaan toleranssien, standardien ja prosessien suorituskyvyn parametrien avulla. Työssä selvitettiin myös rullamuovauksen soveltuvuutta puomien valmistusmenetelmäksi sekä välyksen vaikutusta kokoonpantavuuden kehittämiseksi. Mittauksissa havaittiin mittavirheiden kertautuvan valmistusprosessin varrella. Kokoonpantavuuden kannalta kriittisimmät virheet ovat puomien alakotelon V-pohjan toislaitaisuus sekä puomien kieroutuminen hitsausvaiheessa. Puomien korkeus- tai leveysvaihteluilla ei ole suurta merkitystä, sillä niitä voidaan kompensoida liukupaloja säätämällä.

Valukappaleen ainetta rikkomattoman tarkastusprosessin kehittäminen

Ainetta rikkomattomien tarkastusten merkitys erityisesti valettujen kappaleiden valmistuksen yhteydessä on ratkaiseva koneenosan luotettavuuden varmistamisessa. Suurilujuuksiset kuormausnosturin kääntöpylväät ovat kriittisiä osia, joiden vaurioituminen aiheuttaa kustannuksia ja työturvallisuusriskin. Kuormainvalmistajat haluavat, että toimitetut kääntöpylväät täyttävät asetetut laatuvaatimukset, joihin kuuluu säröttömyyden varmistaminen tarkastamalla. Väsymisvaurioiden välttämiseksi kappaleiden pinnan virheettömyys on tarkastettava jollakin pintatarkastusmenetelmällä. Magneettijauhetarkastus on eräs käyttökelpoinen ja taloudellinen menetelmä kyseessä olevien teräsvalukappaleiden tarkastamisessa. Tähän työhön on koottu magneettijauhetarkastukseen (menetelmänä) liittyvää tietoa. Työssä on laadittu kääntöpylväisiin koneistuksia tekevän yrityksen käyttöön tarkastuksen yleisohje. Yrityksessä otetaan käyttöön uusi magneettijauhetarkastuslaitteisto. Tarkastusmenetelmä on fluoresoivamärkä menetelmä, jossa käytetään UV-valaistusta. Tarkastusohjeen tueksi on kuvattu vertailukuvasarja tarkastajien käyttöön. Suurin sallittava särönpituus on väsymisen kannalta tärkein yksittäinen tekijä ja siksi sen arvioinnin on oltava luotettavaa. Työturvallisuuteen on kiinnitetty erityistä huomiota, sillä asiakkaatovat usein kiinnostuneita paitsi itse tuotteesta, myös yrityksen toiminnallisesta laadusta. Yhtenä laadun mittarina voidaan pitää vahinkojen ja tapaturmien vähäisyyttä. Selkeät toimintaohjeet viestivät laatutietoisesta turvallisesta toiminnasta. Yrityksen laatukäsikirjaan on tehtävä lisäys pylväiden tarkastamisesta jatyöturvallisuudesta. Työssä on laadittu lisäyksestä ehdotus. Lisäksi työssä on pohdittu yrityksen ja työntekijöiden toimintaan liittyviä vastuukysymyksiä.

Pulssi-MAG-hitsauksen optimointi ultralujille rakenneteräksille

Diplomityön tavoitteena oli optimoida pulssi-MAG-hitsaus parametreja ultralujan rakenneteräksen OPTIM 960 QC hitsin lujuuden ja väsymiskestävyyden kannalta. Työssä tutkittiin parametrien, erityisesti pulssituksen vaikutusta hitsingeometriaan ja kovuusprofiiliin hitsiaineessa ja HAZ-alueella. Kirjallisuus osiossa perehdytään pulssi-MAG-hitsauksen prosessiparametreihin, erityisesti niiden vaikutukseen lämmöntuontiin, saavutettavaan kovuuteen ja näin ollen lujuuteen sekä väsymiskestävyyteen. Kokeellisessa osassa koehitsejä tutkittiin SLM (structural lightmethod) - menetelmällä ja kovuusmittauksin. Parametrien vaikutusta laatuhitsin tuottavaan hitsausenergiaan tutkittiin visuaalisesti ja jäähtymisaikamittauksin. Parametrien käyttäytymistä tutkittiin lyhyesti oskilloskoopin ja suurnopeuskuvauksen avulla. Laadukkaiden hitsien saavuttaminen vaati, että keskinäinen tasapaino pulssi parametrien välillä on kunnossa. Virtasuhteen tulee olla n. 30 %. Langansyötön lisäys vaatii taajuuden ja pulssiajan nostoa. Pehmenneen vyöhykkeen syntyä karkearakeiselle vyöhykkeelle saadaan rajoitettua, mutta uloimpien vyöhykkeiden pehmenemisen ehkäiseminen vaatii esim. jäähdytystä ja perusaineen koostumuksen tarkistamista. Liitoksen väsymiskestävyyden kannalta lämmöntuonti ei ole kriittinen tekijä. Väsymiskestävyysluokka 150 on saavutettavissa ilman jälkikäsittelyä. Jatkotutkimuksissa tulee keskittyä vielä syvemmin prosessiparametrien vaikutuksien hallintaan ja kehittää ulkoista jäähdyttämistä.

Lujien terästen hitsauksen kehittäminen

Työn teoriaosuudessa käsitellään lujia hitsattavia teräksiä sekä niiden hitsauksessa huomioitavia erityispiirteitä. Työssä esitellään hitsattavuuden arviointiin kehitettyjä teoreettisia menetelmiä sekä otetaan kantaa hitsauksen suoritustekniikkaan ja lisäainevalintaan. Myös lujien terästen hitsauksessa tyypilliset hitsausvirheet on käsitelty tässä työssä. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin metsäteknologian tuotteita valmistavan metalliyrityksen käyttämien lujien terästen hitsattavuus ja hitsauksen esivalmistelujen tarpeellisuus. Kokeelliseen osioon kuului myös sopivan lisäainelangan valinta sekä tarkempaan tarkasteluun valitun esimerkkituotteen hitsien laadun selvittäminen. Tutkimuksissa käytettyjä menetelmiä olivat makro- ja mikrohietutkimus, hitsausliitoksen poikittainen vetokoe, Vickersin kovuuskoe ja murtokoe. Tarkasteluissa peilautuu myös hitsauksen automatisoinnin vaikutukset lujien terästen hitsaukseen. Kokeellisessa osiossa huomattiin nuorrutettujen terästen pehmeneminen liian suurella lämmöntuonnilla. Termomekaanisesti valssatut teräkset ovat paremmin hitsattavissa kuin nuorrutetut ja karkaistut teräkset. Kyseessä olevassa yrityksessä hitsattavien materiaalien paksuudet ovat pääsääntöisesti niin ohuita, ettei korotettua työlämpötilaa tarvita. Alilujat lisäaineet soveltuvat hitsauslisäaineeksi tuotantokäyttöön muutamia tuotekohtaisia poikkeuksia lukuun ottamatta.

Applications and Benefits of Adaptive Pulsed GMAW

In ship and offshore terminal construction, welded cross sections are thick and the number of welds very high. Consequently, there are two aspects of great importance; cost and heat input. Reduction in the welding operation time decreases the costs of the work force and avoids excessive heat, preventing distortion and other weld defects. The need to increase productivity while using a single wire in the GMAW process has led to the use of a high current and voltage to improve the melting rate. Unfortunately, this also increases the heat input. Innovative GMAW processes, mostly implemented for sheet plate sections, have shown significant reduction in heat input (Q), low distortion and increase in welding speed. The aim of this study is to investigate adaptive pulsed GMAW processes and assess relevant applications in the high power range, considering possible benefits when welding thicker sections and high yield strength steel. The study experimentally tests the usability of adaptive welding processes and evaluates their effects on weld properties, penetration and shapes of the weld bead.The study first briefly reviews adaptive GMAW to evaluate different approaches and their applications and to identify benefits in adaptive pulsed. Experiments are then performed using Synergic Pulsed GMAW, WiseFusionTM and Synergic GMAW processes to weld a T-joint in a horizontal position (PB). The air gap between the parts ranges from 0 to 2.5 mm. The base materials are structural steel grade S355MC and filler material G3Si1. The experiment investigates heat input, mechanical properties and microstructure of the welded joint. Analysis of the literature reveals that different approaches have been suggested using advanced digital power sources with accurate waveform, current, voltage, and feedback control. In addition, studies have clearly indicated the efficiency of lower energy welding processes. Interest in the high power range is growing and a number of different approaches have been suggested. The welding experiments in this study reveal a significant reduction of heat input and a weld microstructure with the presence of acicular ferrite (AF) beneficial for resistance to crack propagation. The WiseFusion bead had higher dilution, due to the weld bead shape, and low defects. Adaptive pulse GMAW processes can be a favoured choice when welding structures with many welded joints. The total heat reduction mitigates residual stresses and the bead shape allows a higher amperage limit. The stability of the arc during the process is virtually spatter free and allows an increase in welding speed.

Puomiankkurin uudelleensuunnittelu ja valmistus

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella uusi öljyntorjunnassa käytettävä puomiankkuri. Nykyisin käytössä olevat ankkurit ovat painavia, paljon tilaa vieviä, jäykkiä rakenteeltaan ja hankalia käyttää. Työn tavoitteena on ollut suunnitella rakenne, jossa muotoilun avulla pyritään korvaamaan ankkurin painoa ja saavuttaa hyvä tunkeutuminen eri pohjalaaduissa. Ankkurin suunnitteluun kuuluu merkittävänä osana materiaalinvalintaprosessi, jonka perusteella materiaaliksi valittiin kulutusteräs. Kulutusteräksen korkea lujuus ja hyvä kulumiskestävyys mahdollistavat ohuemman materiaalin käytön rakenteessa, jonka seurauksena rakenteen painoa saatiin vähennettyä merkittävästi. Ankkurin rakenteen suunnittelussa käytettiin hyväksi nykyisiä ankkurin rakenteita, joiden pohjalta hahmoteltiin eri variaatioita ankkureista. Suunnittelutyössä käytettiin hyväksi tyypillisiä ankkurirakenteita hyvien puolien kannalta, joita pyrittiin toteuttamaan uudessa ankkuri- rakenteessa. Ankkurin suunnittelu toteutettiin järjestelmällisen suunnittelun avulla, jossa ensin laadittiin ankkurille vaatimuslista. Tämän jälkeen laadittiin ankkurille toimintorakenne ja jakaminen osatoimintoihin. Ankkurin rakenteista toteutettiin kaksi eri versiota: sisävesillä ja merialueilla käytettävät ankkurit, joille laadittiin mitoitus. Työssä suunnitellun terävän tunkeutumisosan ja optimaalisen tunkeutumiskulman avulla ankkureiden painoa saatiin huomattavasti alhaisemmaksi, jonka seurauksena ankkurille saatiin kevyempi rakenne ja materiaalikustannukset pienenivät merkittävästi. Uusien ankkurien rakenne on pienemmän koon ja painon ansiosta käyttäjäystävällisempi.

Puomiankkurin uudelleensuunnittelu ja valmistus

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella uusi öljyntorjunnassa käytettävä puomiankkuri. Nykyisin käytössä olevat ankkurit ovat painavia, paljon tilaa vieviä, jäykkiä rakenteeltaan ja hankalia käyttää. Työn tavoitteena on ollut suunnitella rakenne, jossa muotoilun avulla pyritään korvaamaan ankkurin painoa ja saavuttaa hyvä tunkeutuminen eri pohjalaaduissa. Ankkurin suunnitteluun kuuluu merkittävänä osana materiaalinvalintaprosessi, jonka perusteella materiaaliksi valittiin kulutusteräs. Kulutusteräksen korkea lujuus ja hyvä kulumiskestävyys mahdollistavat ohuemman materiaalin käytön rakenteessa, jonka seurauksena rakenteen painoa saatiin vähennettyä merkittävästi. Ankkurin rakenteen suunnittelussa käytettiin hyväksi nykyisiä ankkurin rakenteita, joiden pohjalta hahmoteltiin eri variaatioita ankkureista. Suunnittelutyössä käytettiin hyväksi tyypillisiä ankkurirakenteita hyvien puolien kannalta, joita pyrittiin toteuttamaan uudessa ankkuri- rakenteessa. Ankkurin suunnittelu toteutettiin järjestelmällisen suunnittelun avulla, jossa ensin laadittiin ankkurille vaatimuslista. Tämän jälkeen laadittiin ankkurille toimintorakenne ja jakaminen osatoimintoihin. Ankkurin rakenteista toteutettiin kaksi eri versiota: sisävesillä ja merialueilla käytettävät ankkurit, joille laadittiin mitoitus. Työssä suunnitellun terävän tunkeutumisosan ja optimaalisen tunkeutumiskulman avulla ankkureiden painoa saatiin huomattavasti alhaisemmaksi, jonka seurauksena ankkurille saatiin kevyempi rakenne ja materiaalikustannukset pienenivät merkittävästi. Uusien ankkurien rakenne on pienemmän koon ja painon ansiosta käyttäjäystävällisempi.

Feasibility studies of the weldability of structural steels used in the offshore environment

The rising demand for oil and gas has made it very necessary for the oil and gas industries to explore the offshore. There is a huge resources which is available in the offshore. The search for oil and gas is faced with greater challenges because of the nature of the marine environment as it poses difficult and harsh conditions for the construction of offshore structures. The major problem of the construction of offshore structure is the ability to produce a sound weld that gives the whole structure the structural integrity needed to withstand the harsh environmental conditions. This research work presents the performance of typical offshore steels with improved weldability. The ability of reducing the carbon content of thermo-mechanically rolled steels down to 0.08% makes it possible to achieve good weldability, toughness and strength for high strength steels used in offshore applications. Importantly, the ideal welding procedure should be strictly followed as recommended. The fabrication process is as important as the welding procedure in achieving a sound weld which is free of weld defects such as hydrogen induced cracking, lamellar tearing and solidification cracking. This research work also considers the corrosion as it affects offshore structure and necessary measures to mitigate the problem caused by corrosion.