Development of beam and plate finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation

The focus of this dissertation is to develop finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation. The absolute nodal coordinate formulation is a nonlinear finite element formulation, which is introduced for special requirements in the field of flexible multibody dynamics. In this formulation, a special definition for the rotation of elements is employed to ensure the formulation will not suffer from singularities due to large rotations. The absolute nodal coordinate formulation can be used for analyzing the dynamics of beam, plate and shell type structures. The improvements of the formulation are mainly concentrated towards the description of transverse shear deformation. Additionally, the formulation is verified by using conventional iso-parametric solid finite element and geometrically exact beam theory. Previous claims about especially high eigenfrequencies are studied by introducing beam elements based on the absolute nodal coordinate formulation in the framework of the large rotation vector approach. Additionally, the same high eigenfrequency problem is studied by using constraints for transverse deformation. It was determined that the improvements for shear deformation in the transverse direction lead to clear improvements in computational efficiency. This was especially true when comparative stress must be defined, for example when using elasto-plastic material. Furthermore, the developed plate element can be used to avoid certain numerical problems, such as shear and curvature lockings. In addition, it was shown that when compared to conventional solid elements, or elements based on nonlinear beam theory, elements based on the absolute nodal coordinate formulation do not lead to an especially stiff system for the equations of motion.

Reducing Manufacturing Costs of the Screen Dryer’s Hot Section by Design

In this thesis, the purpose was to find the cost distribution of the screen dryer and the largest cost factors. The hot section of the screen dryer was revealed as the biggest cost factor, so composing new cost efficient solutions were directed to it. DFMA (Design for Manufacture and Assembly) was chosen to help the design process. DFMA is a product design strategy developed for taking manufacturing and assembly costs into account at the early stages of the design process. In the theory part of the thesis, other methods of economical design and tools needed for estimating manufacturing costs are introduced. In the empirical part, the hot section of the screen dryer was divided into sub-assemblies and their manufacturing costs were estimated. The design propositions were directed to the self-manufactured assemblies and parts. The new manufacturing costs were calculated for the developed propositions. Lastly, the most cost efficient solutions were summarized. The savings on the self-manufactured assemblies were about 40 %, which was about 13 % of the combined total costs of the hot section.

Travels in various countries of Europe, Asia and Africa : Part the third : Scandinavia : Section the second : by Edward Daniel Clarke.

Digital reproduction, The National Library of Finland, Centre for Preservation and Digitisation, Mikkeli

Travels in various countries of Europe, Asia and Africa : Part the third : Scandinavia : Section the first : by Edward Daniel Clarke.

Digital reproduction, The National Library of Finland, Centre for Preservation and Digitisation, Mikkeli

Enhancement of water removal in the press section

The effectiveness of water removal on press section is very important for a paper and board machine’s functioning, efficiency and economy. Today, the most effective method for wet pressing is shoe press technology. Metso has carried out a number of studies concerning anew type of water removal method for a press section, which has also been patented. These studies include rough sketches and some test runs. These issues form the basis of this thesis. The objective of this work was to gather together information for a new and enhanced waterremoval method for a press section by studying the functioning of the device andcarrying out test runs. This method is referred to here as Hydronip. The main goal was tobuild a functional test site which fulfills all the necessary requirements and has all thenecessary information gathering devices. The design process was carried out by emphasizing the safety aspects. The goal was also to gather together information about the nip structure in running conditions, the seal function, and to carry out the nip tests with paper or board wads. This thesis consists of a theory part, the design and construction of the test site, and carrying out test runs through information gathering. The theory part consists of the principals of water removal from a press section, Hydronip construction, and the requirements for the test place. The safety aspects were taken into account especially in test runs, but also in the assembly stages. The design and construction of the test site includes the selection of equipment and surroundings that are needed for managing the test runs in the best possible way at certain premises. The test site included the equipment that was already on the premises. Some equipment could be used as it was but some equipment had to be manufactured or modified from existing equipment. A functional test site with information gathering devices was accomplished as a result of thethesis. Test runs demonstrated that the Hydronip concept is, at least on a small scale,functional. Short-term tests for seal functioning showed that the seal can be lubricatedsufficiently under different kinds of nip load situations. Wad tests demonstrated that the metal belt is durable against different sizes of external particles. The seal also endured wad tests even though the pressure impacts impaired the lubrication. MTS tests showing dry content increases, combined with a rough cost calculation and the basic function of the machine in test runs, show that with some further study Hydronip could be a promising new product for water removal from a paper or board machine’s press section.

Hitsauksen tehostaminen robotisoinnin käyttöönotolla

Kansainvälisen kilpailun kiristyessä yritysten on tehostettava tuotantoaan kustannusten alentamiseksi. Eräs tehostamisen keino on tuotannon automatisointi. Tässä diplomityössä käsitellään hitsauksen tehostamista robottiaseman käyttöönotolla GaV Group Oy:ssä. Työn tarkoituksena on tuoda esille oleellisimmat uuden valmistusteknologian tehokkaaseen käyttöönottoon kuuluvat asiat. Teoriaosassa käsitellään robottisolun investoinnin jälkeisiä toimenpiteitä esivalmistelusta, käyttöönotosta ja tuotannon stabiloinnista. Pääpaino teoriaosuudessa on esivalmistelulla, jolla on suurin vaikutus uuden teknologian käyttöönotossa. Lisäksi teoriaosuudessa käydään läpi laadunvarmistuksen pääperiaatteet, turvallisuusnäkökulmat ja muutoksen mittareiden määrittäminen. Käytännön osiossa on esitelty robottisolun käyttöönotto kohdeyrityksessä. Työn alussa valittiin robotisoidusti hitsattavat kappaleet, parannettiin mahdollisuuksien mukaan konstruktioita paremmin robotisoituun hitsaukseen soveltuviksi ja rakennettiin niille hitsauskiinnittimet. Robotilla tuotteille etsittiin sopivat parametrit ja tehtiin hitsausohjelmat tämän työn puitteissa. Työssä esitellään myös tuotannon käynnistyminen laatuongelmineen ja tuotannon tunnusluvut. Hitsauksen lisäksi robottiin liitettiin esivalmistuksen laadun takaamiseksi hienosädeplasma, jolla aukotetaan robotilla hitsattavia tuotteita. Hienosädeplasmalla saadaan entistä tarkemmat ja railopinnoiltaan siistit reiät yhteille, joka on välttämätöntä robotisoidussa hitsauksessa.

XIIe olympiade Helsinki 1940 section des Billets

37 x 41 cm

XIIth olympic games Helsinki 1940 ticket section

36 x 41 cm

Section Helsinki

21 x 18 cm

The energy efficiency of chilled beam systems in an office building at different climates

Besides the sustaining of healthy and comfortable indoor climate, the air conditioning system should also achieve for energy efficiency. The target indoor climate can be ob-tained with different systems; this study focuses on comparing the energy efficiency of different air conditioning room unit systems in different climates. The calculations are made with dynamic energy simulation software IDA ICE by comparing the indoor cli-mate and energy consumption of an office building with different systems in different climates. The aim of the study is to compare the energy efficiency of chilled beam systems to other common systems: variable air volume, fan coil and radiant ceiling systems. Besides the annual energy consumption also the sustainability of target indoor climate is compared between the simulations. Another aim is to provide conclusions to be used in the product development of the chilled beam systems’ energy efficiency. The adaptable chilled beam system and the radiant ceiling system prove to be energy efficient independent of the climate. The challenge of reliable comparison is that other systems are not able to reach the target indoor climate as well as the others. The complex calculation environment of the simulation software, made assumptions and excluding of the financial aspects complicate comparing the big picture. The results show that the development of the chilled beam systems should concentrate on energy efficient night heating, flexible demand based ventilation and capacity control and possibilities on integrating the best practices with other systems. 

Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser

This study investigated the surface hardening of steels via experimental tests using a multi-kilowatt fiber laser as the laser source. The influence of laser power and laser power density on the hardening effect was investigated. The microhardness analysis of various laser hardened steels was done. A thermodynamic model was developed to evaluate the thermal process of the surface treatment of a wide thin steel plate with a Gaussian laser beam. The effect of laser linear oscillation hardening (LLOS) of steel was examined. An as-rolled ferritic-pearlitic steel and a tempered martensitic steel with 0.37 wt% C content were hardened under various laser power levels and laser power densities. The optimum power density that produced the maximum hardness was found to be dependent on the laser power. The effect of laser power density on the produced hardness was revealed. The surface hardness, hardened depth and required laser power density were compared between the samples. Fiber laser was briefly compared with high power diode laser in hardening medium-carbon steel. Microhardness (HV0.01) test was done on seven different laser hardened steels, including rolled steel, quenched and tempered steel, soft annealed alloyed steel and conventionally through-hardened steel consisting of different carbon and alloy contents. The surface hardness and hardened depth were compared among the samples. The effect of grain size on surface hardness of ferritic-pearlitic steel and pearlitic-cementite steel was evaluated. In-grain indentation was done to measure the hardness of pearlitic and cementite structures. The macrohardness of the base material was found to be related to the microhardness of the softer phase structure. The measured microhardness values were compared with the conventional macrohardness (HV5) results. A thermodynamic model was developed to calculate the temperature cycle, Ac1 and Ac3 boundaries, homogenization time and cooling rate. The equations were numerically solved with an error of less than 10-8. The temperature distributions for various thicknesses were compared under different laser traverse speed. The lag of the was verified by experiments done on six different steels. The calculated thermal cycle and hardened depth were compared with measured data. Correction coefficients were applied to the model for AISI 4340 steel. AISI 4340 steel was hardened by laser linear oscillation hardening (LLOS). Equations were derived to calculate the overlapped width of adjacent tracks and the number of overlapped scans in the center of the scanned track. The effect of oscillation frequency on the hardened depth was investigated by microscopic evaluation and hardness measurement. The homogeneity of hardness and hardened depth with different processing parameters were investigated. The hardness profiles were compared with the results obtained with conventional single-track hardening. LLOS was proved to be well suitable for surface hardening in a relatively large rectangular area with considerable depth of hardening. Compared with conventional single-track scanning, LLOS produced notably smaller hardened depths while at 40 and 100 Hz LLOS resulted in higher hardness within a depth of about 0.6 mm.

Capacity of an I-beam made of S960 QC based on Eurocode 3

The capacity of beams is a very important factor in the study of durability of structures and structural members. The capacity of a high-strength steel I-beam made of S960 QC was investigated in this study. The investigation included assessment of the service limits and ultimate limits of the steel beam. The thesis was done according to European standards for steel structures, Eurocode 3. An analytical method was used to determine the throat thickness, deformation, elastic and plastic moment capacities as well as the fatigue life of the beam. The results of the analytical method were compared with those obtained by Finite Element Analysis (FEA). Elastic moment capacity obtained by the analytical method was 172 kNm. FEA and the analytical method predicted the maximum lateral-torsional buckling (LTB) capacity in the range of 90-93 kNm and the probability of failure as a result of LTB is estimated to be 50%. The lateral buckling capacity meant that the I-beam can carry a safe load of 300 kN instead of the initial load of 600 kN. The beam is liable to fail shortly after exceeding the elastic moment capacity. Based on results in of the different approaches, it was noted that FEA predicted higher deformation values on the load-deformation curve than the analytical results. However, both FEA and the analytical methods predicted identical results for nominal stress range and moment capacities. Fatigue life was estimated to be in the range of 53000-64000 cycles for bending stress range using crack propagation equation and strength-life approach. As Eurocode 3 is limited to steel grades up to S690, results for S960 must be verified with experimental data and appropriate design rules.

FE-analyysin soveltaminen S960 QC teräksisen I-profiilin äärikestävyyden määrittämisessä

Tässä työssä tutkittiin FE-analyysin soveltamista S960 QC teräksisen I-profiilin kestävyyden määrittämisessä. Työn tavoitteena oli tarkastella nykyisten suunnitteluohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille ja koota ohjemateriaali I-profiilin optimoimisesta sekä FE-analyysin hyö-dyntämisestä I-profiilin staattisen ja dynaamisen kestävyyden määrittämisessä. I-profiili mitoitettiin ja optimoitiin Eurokoodi 3:ssa esitettyjen PL3 mukaisten mitoitusohjeiden avulla. Rakenteelle suoritettiin Eurokoodi 3:n ja IIW:n mukaiset lommahdus-, kiepahdus- ja vä-symiskestävyystarkastelut. Väsymistarkastelussa sovellettiin nimellisen jännityksen, rakenteelli-sen jännityksen ja tehollisen lovijännityksen menetelmiä sekä murtumismekaniikkaa. Rakenteel-lisen jännityksen menetelmässä sovellettiin lisäksi lineaarista ja parabolista pintaa pitkin ekstra-polointia, paksuuden yli linearisointia sekä Dong:in menetelmää. Lommahdus-, kiepahdus- ja väsymistarkasteluissa hyödynnettiin analyyttistä laskentaa, FE-analyysiä sekä Frank2d sovellusta. Tarkastelujen perusteella voidaan todeta, että analyyttisillä menetelmillä saadaan numeerisia me-netelmiä varmemmalla puolella olevia tuloksia. Lommahdustarkastelussa ero tulosten välillä on suurimmillaan 8 % ja kiepahdustarkastelussa suurimmillaan 20 % mutta väsymistarkastelussa saadut tulokset eroavat keskenään huomattavasti. Väsymistarkastelussa tehollisen lovijännityksen menetelmällä sekä rakenteellisen jännityksen menetelmän Dong:in menetelmällä saadaan huo-mattavasti muita menetelmiä pidempiä kestoikiä, kun taas yksinkertaisemmilla menetelmillä saa-dut kestoiät ovat lyhyempiä. Rakenteen kestävyyden määrittäminen analyyttisillä menetelmillä on melko helppoa, mutta tu-lokset ovat monesti liian konservatiivisia. FE-analyysillä saadaan puolestaan hyvin tarkkoja tu-loksia mallin ollessa yksityiskohtainen. Mallintaminen on kuitenkin aikaa ja resursseja vievää ja vaatii käyttökokemusta. FE-analyysin mahdolliset hyödyt on aina arvioitava tapauskohtaisesti tarkasteltavan geometrian, kuormitusten ja reunaehtojen perusteella.

Ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan mitoitustyökalun kehittäminen

Hihnakuljettimia käytetään muun muassa voimalaitos- ja sellutehdasympäristöissä kuljettamaan kiinteää polttoainetta tai haketta pitkiä matkoja. Pitkät hihnakuljettimet asennetaan yleensä teräsristikoista rakennettujen kuljetinsiltojen sisään. Kuljetinsilta toimii siis hihnakuljettimen ja hoitokäytävän runkona sekä suojaa kuljetinta ja kuljetettavaa materiaalia säältä. Tässä diplomityössä on laadittu mitoitustyökalu, jolla voidaan nopeasti mitoittaa ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan sauvat sekä määrittää rakenteen massa. Laskentaohjelma on toteutettu Microsoft Excel -taulukkolaskentana. Sillan poikkileikkaus voi olla suljettu symmetrinen umpirakenne tai avorakenne, jossa on ulokkeellinen hoitotaso. Ristikon sauvat ovat RHS-putkia. Rakenteeseen voi vaikuttaa jatkuvia kuormia, pistekuormia sekä näistä johdetut, ekvivalenttiin staattiseen voimaan perustuvat maanjäristyskuormat. Diplomityössä on perehdytty mitoitustyökalussa sovellettuihin teorioihin. Voimasuureiden laskenta perustuu 2-tukisina palkkeina käsiteltävien siltalohkojen ratkaisuun ja palkkianalogiaan, jossa ristikon sauvavoimat ratkaistaan käsittelemällä ristikkoa palkkina. Sauvojen kestävyyden laskenta perustuu SFS-EN 1993-1-1 -normiin, joka on osa Eurocode -rakennesuunnittelunormistoa. Lisäksi työssä on käsitelty ristikkoliitosten mitoitusta SFS-EN 1993-1-8 mukaan. Mitoitusohjelman toimivuutta on testattu tarkastelemalla esimerkkisiltaa laaditulla mitoituspohjalla ja Autodesk Robot Professional 2013 -FE-analyysiohjelmisuolla. Tulosten perusteella mitoitustyökalua voidaan käyttää ainakin tarjousvaiheen nopeisiin tarkasteluihin ja omamassan määritykseen, mutta myös lopulliseen mitoitukseen, mikäli hyväksytään konservatiivinen mitoitus.

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.