Absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmä kuorimaisten kappaleiden mallinnuksessa

Työn tavoitteena oli kehittää nopeasti konvergoiva kuorielementti epälineaarisesti joustavien kappaleiden analysointiin. Kuorielementti perustuu absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmään ja se hyödyntää kaarevuuden kuvausta elastisten voimien määrityksessä. Kehitettyä elementtiä verrattiin kontinuumimekaniikalla kehitettyyn kuorielementtiin ja kaupallisen elementtimenetelmän kuorielementtiin. Yksinkertaisimman kuormitustapauksen tuloksia verrattiin teknisen taivutusteorian mukaiseen analyyttiseen ratkaisuun. Staattisten testien tulokset tässä työssä kehitetyllä kuorielementillä vastasivat hyvin kaupallisella elementtimenetelmällä saatuja tuloksia. Deformaatioiden ollessa geometrisesti lineaarisella alueella, kehitetyllä kuorielementillä saadut tulokset vastasivat paremmin sekä analyyttistä ratkaisua että kaupallisella elementtimenetelmällä saatuja tuloksia kuin aiemman kontinuumimekaniikkaan perustuvan kuorielementin tulokset. Kehitetyn kuorielementin ongelmana verrattuna kontinuumimekaniikkaan perustuvaan elementtiin on monimutkaisempi kinematiikan kuvaus. Tästä on seurauksena laskenta-ajan huomattava kasvaminen. Jatkossa kannattaisi keskittyä numeeristen ratkaisumenetelmien kehittämiseen.

Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston soveltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti roottorin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitulosten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dynamiikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin elementtimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysjakaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan analysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saatiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Monitelakalanterin esisuunnitteluaineiston luonti tuotekehitysprojektissa

Työ liittyy uuden sukupolven monitelakalanterin tuotekehitysprojektiin. Työssä tutkittiin uuden monitelakalanterin tuoterakennetta, esisuunnitteluaineistoa ja mahdol- lisuuksia parametriseen 3D-suunnitteluun. Työssä ei suoritettu teknistä laskentaa. Uuden monitelakalanterin modulaarinen tuoterakenne ja esisuunnitteluaineisto pohjautuu markkinoilla olevaan OptiLoad-monitelakalanteriin. Tuoterakenteella ja esisuunnitteluaineistolla ohjataan monitelakalantereiden asiakastoimitusprojekteissa eri kokoluokkien kustannuksia, suunnittelua ja tuotantoa. Modulaarisella tuoterakenteella, jolla on selkeät mitoitusperusteet vaikutetaan oleellisesti asiakastoimitusten luotettavuuteen. Huomioimalla tuotekehitysprojektissa asiakaskohtaiset muutokset modulaarisessa tuoterakenteessa voidaan tehdä alustava esisuunnitteluaineisto. Parametrinen 3D-suunnittelu sekä lopullinen esisuunnitteluaineisto vaatii uuden monitelakalanterin rakenteiden tuotteistusta, standardointia ja elementtimenetelmään perustuvaa lujuuslaskentaa.

Reluktanssiverkkomalli kestomagneettitahtikoneen staattisen ilmavälivuontiheyden mallinnukseen

Kaikissa pyörivissä sähkömoottoreissa vääntömomentin tuoton kannalta olennainen magneettivuo kulkee staattorin ja roottorin välillä ilmavälin kautta. Ilmaväli mallinnetaan koneensuunnittelun yhteydessä tämän vuoksi tarkasti. Elementtimenetelmällä voidaan analysoida moottoreita varsin tarkasti, mutta menetelmän käyttö vie paljon aikaa ja sovittaminen muihin laskentaympäristöihin on usein hankalaa. Tämän vuoksi voidaan käyttää riittävän tarkkuuden omaavia analyyttisiä laskentamenetelmiä, joiden sovittaminen muihin ohjelmaympäristöihin on helpompaa kuin elementtimenetelmää käytettäessä. Diplomityössä kehitetään reluktanssiverkkomalli kestomagneettien aikaansaaman ilmavälivuontiheyden mallintamiseen kestomagneettitahtikoneille, joissa on pinta-asennetut kestomagneetit. Kehitetyn reluktanssiverkkomallin toimivuutta vertaillaan muihin ilmavälivuontiheyden laskentamenetelmiin.

Hydrostaattisen kuormituselementin parametrien vaikutus tehontarpeeseen

Työssä tutkitaan paperiteollisuuden käyttämän taipumakompensoidun telan hydrostaattisen kuormituselementin parametrien vaikutusta tehontarpeeseen ja kuormituselementin käyttäytymistä eri parametreilla. Työssä käsitellään hydrostaattisen kuormituselementin FE-laskennassa käytetyn mallinosien rakentaminen, kokoonpano ja teoria. Lisäksi analyyttinen laskenta esitetään lyhyesti. FE-laskennassa käytetään virtaus-rakenne -vuorovaikutusanalyysiä. Laskenta suoritetaan ANSYS/Flotran ohjelmistolla (versio 5.5). Hydrostaattisen kuormituselementin tehontarpeen vähentämiseen löytyi kolme tekijää. Suurimpana yksittäisenä tekijänä on elementin kitkapinta-alan pienentäminen, jolla saavutetaan 44 % kitkatehontarpeen pieneneminen. Seuraavaksi eniten vaikuttaa kitkatehontarpeeseen kuormituselementin muotoilu, jolla saavutetaan 20 % kitkatehontarpeen pieneneminen. Kolmantena tekijänä on viskositeetin pienentäminen, jolla suurimmillaan saavutetaan 15 % kitkatehontarpeen pieneneminen.

Materiaalimallin määrityksestä kylmämuovattujen putkipalkkien K-liitosten FE-analyysissä

Työssä on tutkittu kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien K-liitosten mallinnusta epälineaarisella elementtimenetelmällä. Työn tärkeimpänä tavoitteena on ollut kehittää putkipalkin osien materiaalimalleja siten, että liitosten kestävyyttä voidaan tutkia laboratoriokokeiden ohella luotettavasti myös elementtimenetelmällä. Toisena tavoitteena on ollut tutkia, voidaanko putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita turvallisesti soveltaa kylmämuovatuille putkipalkeille, joissa valmistusprosessi aiheuttaa muutoksia materiaaliominaisuuksiin, erityisesti muodonmuutoskykyyn. Työssä tehtyjen laboratoriokokeiden ja elementtianalyysien perusteella elementti-menetelmä on käyttökelpoinen työkalu putkipalkkiliitosten staattista kestävyyttä määritettäessä, kun materiaalimallit on määritetty oikein. Erityisesti liitoksen käyttö-rajatilan mukaisen kestävyyden laskennassa elementtimenetelmällä saadaan hyvin laboratoriokokeita vastaavia tuloksia. Tehdyt laboratoriokokeet osoittavat myös, että Eurocode 3:n mukaisia putkipalkkien liitosten mitoitusohjeita voi turvallisesti käyttää kylmämuovatuille putkipalkeille.

Tuulikuormien vaikutus teleskooppimaston toimintaan

Tämä diplomityö on tehty Patria Vehicles Oy:n toimeksiannosta. Patria Vehicles Oy:n tuotantoon kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot sekä teleskooppimastot. Tutkimuksen tarkoituksena oli mallintaa mastoperävaunusta joustava malli, johon vaikuttavat tuulikuormat. Mallin avulla voidaan tutkia maston siirtymiä, kallistumia sekä kiertymiä. Tutkimuksessa on käytetty ADAMS-simulointiohjelmistoa sekä I-DEAS- FEM ohjelmistoa. Dynaamisten ongelmien ratkaisemiseksi on ymmärrettävä rakenteiden käyttäytymistä. Tuulikuormien mallintamisen edellytyksenä on tuulikuormien syntymisen ymmärtäminen. Tämän työn peruslähtökohtana on mallintaa kaikki maston jäykkyyteen vaikuttavat komponentit joustavina FE-menetelmän avulla. Luodaan superelementit Craig-Bamptonin ominaismuotojen superponointimenetelmällä. Nämä superelementit liitetään toisiinsa ja asetetaan niille tuulikuormat. Luodaan kosketukset puomien, sekä maan ja maston välille. Pienennetään joustavien osien ominaismuotojen määrää, jotta saataisiin nopeammat analyysit. Parametrisoidaan malli, jolloin voidaan analysoida mallilla useampia tapauksia. Verifioidaan malli varmistaaksemme sen oikeellisuuden. Taulukoidaan tulokset.

Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Väsyttävästi kuormitettujen hitsattujen rakenteiden suunnittelukäytännön kehittäminen

Hitsatuilla rakenteilla väsyminen on keskeinen vauriotekijä. Väsymiskestoiän laskentaan on olemassa useita erilaisia menetelmiä, joista hot spot ﷓menetelmä on hitsattujen rakenteiden yhteydessä yhä yleistyvä ja sangen käyttökelpoinen. Hot spot menetelmässä kestoikälaskenta perustuu rakenteellisen jännityksen vaihteluun ja pieneen joukkoon kokeellisesti määrättyjä Wöhler-käyriä. Rakenteellinen jännitys voidaan määrittää joko prototyypistä mittaamalla, elementtimenetelmällä laskemalla tai parametristen kerrointen avulla. Suunnittelukäytännön kehittämisessä tutkittiin esimerkkirakenteena Rammer RC 22 leikkurimurskainta. Tarkoituksena oli mitata murskaimesta voimasuureita, joita voitaisiin käyttää kuormitustietona laskettaessa jännityksiä elementtimenetelmällä. Myöhempien laskentatulosten verifiointia varten mitattiin lisäksi muutamia hot spot ﷓jännityksiä. Työn kokeellinen puoli keskittyi voimasuuremittauksiin ja niistä saatavien tulosten saattamiseen sopusointuun vapaakappalemallien kanssa. Suoritettiin lukuisia kalibrointimittauksia ja mittausjärjestelyä kehitettiin, kunnes syyt aluksi saatujen mittaustulosten virheellisyyteen selvisivät. Leikkausvoimamittausten osalta tuloksia verifioitiin elementtimenetelmälaskelmin. Työn tuloksena saatiin luotua toimiva pohja voimasuure- ja hot spot ﷓mittauksille. Jatkossa voidaan siirtyä tekemään mittauksia todellisissa työskentelytilanteissa.

High-Speed Solid-Rotor Induction Machine – Electromagnetic Calculation and Design

Within the latest decade high-speed motor technology has been increasingly commonly applied within the range of medium and large power. More particularly, applications like such involved with gas movement and compression seem to be the most important area in which high-speed machines are used. In manufacturing the induction motor rotor core of one single piece of steel it is possible to achieve an extremely rigid rotor construction for the high-speed motor. In a mechanical sense, the solid rotor may be the best possible rotor construction. Unfortunately, the electromagnetic properties of a solid rotor are poorer than the properties of the traditional laminated rotor of an induction motor. This thesis analyses methods for improving the electromagnetic properties of a solid-rotor induction machine. The slip of the solid rotor is reduced notably if the solid rotor is axially slitted. The slitting patterns of the solid rotor are examined. It is shown how the slitting parameters affect the produced torque. Methods for decreasing the harmonic eddy currents on the surface of the rotor are also examined. The motivation for this is to improve the efficiency of the motor to reach the efficiency standard of a laminated rotor induction motor. To carry out these research tasks the finite element analysis is used. An analytical calculation of solid rotors based on the multi-layer transfer-matrix method is developed especially for the calculation of axially slitted solid rotors equipped with wellconducting end rings. The calculation results are verified by using the finite element analysis and laboratory measurements. The prototype motors of 250 – 300 kW and 140 Hz were tested to verify the results. Utilization factor data are given for several other prototypes the largest of which delivers 1000 kW at 12000 min-1.

Assessment of meshing techniques for fatigue analysis of load carrying welded joints using the effective notch approach

The effective notch stress approach for the fatigue strength assessment of welded structures as included in the Fatigue Design Recommendation of the IIW requires the numerical analysis of the elastic notch stress in the weld toe and weld root which is fictitiously rounded with a radius of 1mm. The goal of this thesis work was to consider alternate meshing strategies when using the effective notch stress approach to assess the fatigue strength of load carrying partial penetration fillet-welded cruciform joints. In order to establish guidelines for modeling the joint and evaluating the results, various two-dimensional (2D) finite element analyses were carried out by systematically varying the thickness of the plates, the weld throat thickness, the degree of bending, and the shape and location of the modeled effective notch. To extend the scope of this work, studies were also carried out on the influence of

Designing a new type of support for rotary kilns

Lime kiln is used as a part of the modern kraft pulp process in order to produce burnt lime from lime mud. This rotating kiln is supported by support rollers, which are traditionally supported by journal bearings. Since the continuous growth in the production of pulp mills requires larger lime kilns, the traditional bearing construction has become unreliable. The main problem especially involves the running-in phase of the bearings. In the present thesis, a new type of support roller was developed by using the systematic approach of machine design. Structural analysis was conducted on the critical parts of the selected structure by the finite element method. The operation of hydrodynamic bearings was examined by analytical methods. As a result of this work, a new type of support for rotating kilns was designed, which is more reliable and easier to service. A new support roller geometry is described, which pro¬vides for significant cost savings.

Flexible Multibody Simulation Approach in the Dynamic Analysis of Bone Strains Activity

The objective of this study is to show that bone strains due to dynamic mechanical loading during physical activity can be analysed using the flexible multibody simulation approach. Strains within the bone tissue play a major role in bone (re)modeling. Based on previous studies, it has been shown that dynamic loading seems to be more important for bone (re)modeling than static loading. The finite element method has been used previously to assess bone strains. However, the finite element method may be limited to static analysis of bone strains due to the expensive computation required for dynamic analysis, especially for a biomechanical system consisting of several bodies. Further, in vivo implementation of strain gauges on the surfaces of bone has been used previously in order to quantify the mechanical loading environment of the skeleton. However, in vivo strain measurement requires invasive methodology, which is challenging and limited to certain regions of superficial bones only, such as the anterior surface of the tibia. In this study, an alternative numerical approach to analyzing in vivo strains, based on the flexible multibody simulation approach, is proposed. In order to investigate the reliability of the proposed approach, three 3-dimensional musculoskeletal models where the right tibia is assumed to be flexible, are used as demonstration examples. The models are employed in a forward dynamics simulation in order to predict the tibial strains during walking on a level exercise. The flexible tibial model is developed using the actual geometry of the subject’s tibia, which is obtained from 3 dimensional reconstruction of Magnetic Resonance Images. Inverse dynamics simulation based on motion capture data obtained from walking at a constant velocity is used to calculate the desired contraction trajectory for each muscle. In the forward dynamics simulation, a proportional derivative servo controller is used to calculate each muscle force required to reproduce the motion, based on the desired muscle contraction trajectory obtained from the inverse dynamics simulation. Experimental measurements are used to verify the models and check the accuracy of the models in replicating the realistic mechanical loading environment measured from the walking test. The predicted strain results by the models show consistency with literature-based in vivo strain measurements. In conclusion, the non-invasive flexible multibody simulation approach may be used as a surrogate for experimental bone strain measurement, and thus be of use in detailed strain estimation of bones in different applications. Consequently, the information obtained from the present approach might be useful in clinical applications, including optimizing implant design and devising exercises to prevent bone fragility, accelerate fracture healing and reduce osteoporotic bone loss.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.

Ultralujasta teräksestä valmistetun henkilönostimen teleskooppipuomin kehittäminen

Tässä työssä kehitettiin palo- ja pelastuskäyttöön tarkoitettuun henkilönostimeen teleskooppipuomin profiilit. Profiilien valmistusmateriaalina oli kuumavalssattu, ultraluja säänkestävä rakenneteräs. Työssä kehitettiin standardien ja ohjeiden pohjalta laskentapohja, jolla voidaan tutkia teleskooppipuomin jaksojen tukireaktioita, taivutus- ja vääntömomentteja ja leikkaus ja normaalivoimia. Laskentapohjassa voidaan varioida eri kuormitusten suuntia, teleskooppipuomin sivusuuntaista ulottumaa ja nostokulmaa. Profiilien alustavassa mitoituksessa hyödynnettiin paikallisen lommahduksen huomioon ottavia standardeja ja suunnitteluohjeita. Eri poikkileikkausten ominaisuuksia verrattiin keskenään ja profiili valittiin yhdessä kohdeyrityksen kanssa. Alustavan mitoituksen yhteydessä muodostettiin apuohjelma valitulle poikkileikkaukselle, jolla voitiin tutkia profiilin eri muuttujien vaikutusta mm. paikalliseen lommahdukseen ja jäykkyyteen. Laskentapohjaan sisällytettiin myös optimointirutiini, jolla voitiin minimoida poikkileikkauksen pinta-ala ja tätä kautta profiilin massa. Lopullinen mitoitus suoritettiin elementtimenetelmällä. Mitoituksessa tutkittiin alustavasti mitoitettujen profiilien paikallista lommahdusta lineaarisen stabiilius- ja epälineaarisen analyysin pohjalta. Profiilien jännityksiä tutkittiin tarkemmin mm. varioimalla kuormituksia ja osittelemalla elementtien normaalijännityksiä. Diplomityössä kehitetyllä ja analysoidulla teleskooppipuomilla voitiin keventää jaksojen painoja 15-30 %. Sivusuuntainen ulottuma parani samalla lähes 20 % ja nimelliskuorma kasvoi 25 %.