Calculation of the critical crack size for cold form rectangular hollow section tube (CRHS) under bending load at -40º C temperature

To predict the capacity of the structure or the point which is followed by instability, calculation of the critical crack size is important. Structures usually contain several cracks but not necessarily all of these cracks lead to failure or reach the critical size. So, defining the harmful cracks or the crack size which is the most leading one to failure provides criteria for structure’s capacity at elevated temperature. The scope of this thesis was to calculate fracture parameters like stress intensity factor, the J integral and plastic and ultimate capacity of the structure to estimate critical crack size for this specific structure. Several three dimensional (3D) simulations using finite element method by Ansys program and boundary element method by Frank 3D program were carried out to calculate fracture parameters and results with the aid of laboratory tests (loaddisplacement curve, the J resistance curve and yield or ultimate stress) leaded to extract critical size of the crack. Two types of the fracture which is usually affected by temperature, Elastic and Elasti-Plastic fractures were simulated by performing several linear elastic and nonlinear elastic analyses. Geometry details of the weldment; flank angle and toe radius were also studied independently to estimate the location of crack initiation and simulate stress field in early stages of crack extension in structure. In this work also overview of the structure’s capacity in room temperature (20 ºC) was studied. Comparison of the results in different temperature (20 ºC and -40 ºC) provides a threshold of the structure’s behavior within the defined range.

Moottoripyörän rungon muuntelun valvontakriteerit muutoskatsastuksessa

Muutoskatsastusta koskeva lainsäädäntö aiheuttaa tulkintavaikeuksia ja rajoitteita moottoripyöräharrastajille ja alan toimijoille. Nykyinen asetus edellyttää tarvittaessa asiantuntijaselvitystä rakennemuutoksen lujuudesta ja hitsaustyöstä. Moottoripyörän geometria on laissa rajattu akselivälin ja emäputken kulman osalta. Moottoripyörien runkoja valmistetaan hitsaamalla seostamattomista teräksistä ja lämpökäsiteltävistä alumiini- ja terässeoksista. Runkojen muuntelu suoritetaan myös yleisesti hitsaamalla. Turvallisuuden kannalta tärkeiltä hitsausliitoksilta vaaditaan hyvää laatua, joka saavutetaan oikeilla hitsausparametreilla ja -suorituksella. Vaatimukset seostamattomalle teräkselle voidaan täyttää pätevöityneen hitsaajan toimesta. Lämpökäsiteltävät seokset vaativat lisäksi jälkilämpökäsittelyn, mikä edelleen vaikeuttaa runkojen hitsausta. Hitsien laadun merkitystä moottoripyörän rungossa tutkittiin soveltamalla rajoitetun vahingon periaatetta. Vauriotapauksena mallinnettiin satunnaisen rungon hitsausliitoksen murtuminen. Eri kuormitustilanteissa elementtimenetelmää hyödyntäen todettiin chopper-tyyppisten moottoripyörien runkojen olevan osittain vauriosietoisia ja havaittiin kriittiset hitsausliitokset emä- ja vaakaputken alueilla. Moottoripyörien runkojen kriittisiä hitsausliitoksia tarkasteltiin väsymisen kannalta. Soveltamalla tehollista lovijännitystä, vertailtiin emäputken hitsausliitosten väsymiskestävyyttä oletetulla kuormituksella. Tulosten perusteella muunneltu moottoripyörän runko voi olla alkuperäisrunkoa kestävämpi tai heikompi. Moottoripyörän akseliväli tai emäputken kulma eivät määrää kestävyyttä, vaan rakenteen yksityiskohtainen suunnittelu. Kriittisten liitosten väsymiskestävyyksissä havaittiin merkittäviä eroja eri mallien välillä.

Ultrakevyen rahtialuksen kansiluukkujen sekä luukkujen siirto- ja varastointijärjestelmän suunnittelu hyödyntäen kevytrakennekonsepteja

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia miten rahtialuksen kansiluukut voitaisiin valmistaa mahdollisimman kevyiksi. Katettavan ruuman pinta-ala on n. 10 m x 40 m. Luukkujen suuresta jännevälistä johtuen, rakenteelta vaaditaan suurta jäykkyyttä. Erilaisina vaihtoehtoina tutkittiin vaahtomaista alumiinia, alumiinisia kennorakenteita ja polyuretaanisia sandwich-rakenteita. Työssä vertailtiin myös erilaisia geometrisia ratkaisuja, joilla kansiluukkujen jäykkyyttä pyrittiin lisäämään ja sitä kautta pääsemään pienempään materiaalin tarpeeseen. Geometriaa suunniteltaessa huomioitiin myös vaikutukset ruuman tilavuuteen ja lainsäädännön asettamat reunaehdot. Lainsäädännöstä saatiin esimerkiksi turvakaiteiden minimikorkeus, joka vaikuttaa suoraan ruuman tilavuuteen, kun aluksen korkeimmaksi kohdaksi on valittu laivan keskilinja ja tämä korkeus on annettu suunnittelun lähtötietona. Tietokoneavusteisen lujuuslaskennan avulla eri vaihtoehdoista muodostettiin elementtimallit. Malleja varioimalla ja tuloksia vertailemalla saatiin selville kevyin mahdollinen rakenne ja geometria. Malleista saatiin selville myös luukkujen tukireaktiovoimat, eli voimat, jotka luukut kohdistavat aluksen muihin rakenteisiin. Lisäksi työssä mietittiin erilaisia tapoja ruuman avaamiseen ja avaamistavan vaikutusta kansiluukkujen painoon, geometriaan ja ruuman tilavuuteen.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Miehistönkuljetusajoneuvon rungon suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella miehistönkuljetusajoneuvon runko. Rungosta suunniteltiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboiva. Rakenne toteutettiin kennora-kenteena. Suunnittelussa sovellettiin koneensuunnittelun periaatteiden lisäksi energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelun periaatteita. Myös valmistustekniset näkökohdat otet-tiin huomioon. Rakenteessa hyödynnettiin Ruukki Oy:n Ramor 500 suojausterästä sekä OPTIM 500 MC terästä. Lisäksi erilaisten täyteaineiden käyttöä tutkittiin. Suunnittelun työkaluna käytettiin epälineaarista elementtimenetelmää, koska energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelussa on otettava huomioon materiaalien epälineaarinen käyttäytyminen. Rakenteen suunnittelu jakaantui viiteen vaiheeseen. Aluksi rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset laskettiin elementtimenetelmän avulla. Esisuunnittelussa lasket-tiin plastisuusteorian avulla alustavasti tarvittavat materiaalipaksuudet. Tämän jälkeen ra-kenteen ydingeometria optimoitiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboivaksi. Opti-moinnissa hyödynnettiin elementtimenetelmää. Seuraavassa vaiheessa varmistettiin raken-teen globaalit ominaisuudet. Lopuksi rakenteen kestävyyttä tarkasteltiin elementtimene-telmällä. Runko ei mallien mukaan kestänyt siltä vaadittuja kuormitustapauksia. Mallin kaikki ole-tukset pidettiin varmalla puolella. Reunaehdot oletettiin todellisuutta jäykemmiksi. Myös-kään materiaalin venymänopeudesta johtuvaa lujittumista ei otettu huomioon. Koska mii-naräjähdys on monimutkainen tapahtuma, rungon todellinen kestävyys joudutaan ar-viomaan räjähdystesteillä. Elementtimallien perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että ener-giaa absorboiva ajoneuvon runko on mahdollista toteuttaa kennorakenteena. Lisäksi voi-daan todeta, että elementtimenetelmää sopii työvälineeksi tämän tyyppisten rakenteiden suunnitteluun.

Terässiilojen mitoitusohjelman kehittäminen

Siiloja käytetään jauhemaisten ja rakeisten aineiden varastointiin ja annosteluun maataloudessa sekä mm. lasi-, laasti- ja tasoiteteollisuudessa. Tällaiset laitokset toimitetaan usein kokonaistoimituksina, joissa tavanomaisten teräsrakenteiden kustannusvaikutus voi olla jopa 30 % koko toimituksen arvosta. Niinpä osaltaan siilojen tehokkaalla mitoituksella ja erilaisiarakenneratkaisuja vertailemalla voidaan alentaa toimitusten kokonaiskustannuksia. Tässä diplomityössä perehdyttiin siilojen rakenteisiin ja niiden lujuustekniseen mitoitukseen etenkin tuentaratkaisujen osalta. Mitoituksen osalta työssä perehdyttiin pääasiassa uusiin Eurooppalaisiin standardeihin SFS-EN 1991-4 ja SFS-EN 1993-4-1. Niiden mukaan määritetään mitoituskuormat sekä tehdään lujuustekninen mitoitus. Työn tuloksena laadittiin Microsoft Excel -pohjainen mitoitusohjelma, jolla voidaan nopeasti mitoittaa siilojen olennaisimmat teräsrakenteet. Ohjelmalla voidaan määrittää mitoitus koskien siilon lieriön ja kartion seinämiä sekä tuentaratkaisuja. Ohjelma nopeuttaa erityisesti tarjousvaiheen suunnittelua ja antaa pohjan varsinaiselle siilojen yksityiskohtaiselle mitoittamiselle ja suunnittelulle.

Dynamic Simulations of Rotors during Drop on Retainer Bearings

The active magnetic bearings have recently been intensively developed because of noncontact support having several advantages compared to conventional bearings. Due to improved materials, strategies of control, and electrical components, the performance and reliability of the active magnetic bearings are improving. However, additional bearings, retainer bearings, still have a vital role in the applications of the active magnetic bearings. The most crucial moment when the retainer bearings are needed is when the rotor drops from the active magnetic bearings on the retainer bearings due to component or power failure. Without appropriate knowledge of the retainer bearings, there is a chance that an active magnetic bearing supported rotor system will be fatal in a drop-down situation. This study introduces a detailed simulation model of a rotor system in order to describe a rotor drop-down situation on the retainer bearings. The introduced simulation model couples a finite element model with component mode synthesis and detailed bearing models. In this study, electrical components and electromechanical forces are not in the focus. The research looks at the theoretical background of the finite element method with component mode synthesis that can be used in the dynamic analysis of flexible rotors. The retainer bearings are described by using two ball bearing models, which include damping and stiffness properties, oil film, inertia of rolling elements and friction between races and rolling elements. Thefirst bearing model assumes that the cage of the bearing is ideal and that the cage holds the balls in their predefined positions precisely. The second bearing model is an extension of the first model and describes the behavior of the cageless bearing. In the bearing model, each ball is described by using two degrees of freedom. The models introduced in this study are verified with a corresponding actual structure. By using verified bearing models, the effects of the parameters of the rotor system onits dynamics during emergency stops are examined. As shown in this study, the misalignment of the retainer bearings has a significant influence on the behavior of the rotor system in a drop-down situation. In this study, a stability map of the rotor system as a function of rotational speed of the rotor and the misalignment of the retainer bearings is presented. In addition, the effects of parameters of the simulation procedure and the rotor system on the dynamics of system are studied.

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

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.

Kestomagneettigeneraattorin staattorin mekaanisen rakenteen analysointi ja kehitys

Työssä tutkittiin kestomagneettigeneraattorin staattoriytimen aksiaalisen puristamisen ja lämpötilan vaikutuksia staattorin jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Lisäksi tutkittiin aksiaalisen puristusjännityksen vaikutusta staattorin aksiaalisuuntaisen ominaismuodon taajuuteen. Rakenteesta tehtiin elementtimalli, jonka avulla laskettiin rakenteen siirtymät, jännitykset ja ominaistaajuudet. Rakenteen jännityksiä ja siirtymiä tutkittiin myös yksinkertaisella jousikuvauksella, jonka tuloksia verrattiin elementtimallilla saatuihin tuloksiin. Työn tavoitteena oli kehittää uusi staattorirakenne. Elementtimenetelmän tulosten perusteella staattorirakennetta voidaan yksinkertaistaa poistamalla nyt käytetty puristusrengas, jolloin rakenteesta tulee yksinkertaisempi ja kustannustehokkaampi.

Kokeellisen moodianalyysin jälkikäsittely ominaismuotojen visuaaliseksi tarkastelemiseksi

Kokeellinen moodianalyysi on kokeellinen menetelmä, jolla voidaan selvittää rakenteille ominaista värähtelyä. Työssä oli kolme tavoitetta, jotka pyrittiin saavuttamaan. Ensimmäinen tavoite oli ohjeistuksen luominen rakenteiden ominaismuotojen visuaaliseksi tarkastelemiseksi Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla käytettävissä olevilla laitteistoilla ja ohjelmilla. Ohjeistuksen perustana on ajatus siitä, että kokeellinen moodianalyysi saataisiin tehokkaampaan käyttöön koneensuunnittelun opetuksessa. Ohjeistus tehtiin pääasiassa kuvien ja kuvia tukevien selitysten avulla. Työn toisena tavoitteena oli verrata rakenteen ominaisvärähtelyä, kun se oli tuettu vapaasti ja kun se oli tuettu kiinteästi sen luonnolliseen ympäristöön. Taajuuksia verrattaessa huomattiin, että eri tavoin tuetut rakenteet käyttäytyvät eri tavalla, mikä on otettava huomioon, kun tutkitaan kriittisiä värähtelyjä. Ominaisvärähtelyjä voidaan selvittää myös matemaattisesti esimerkiksi äärellisten elementtien menetelmällä. Työn kolmantena tavoitteena oli verrata elementtimenetelmällä ja kokeellisesti saatuja ominaisvärähtelyn arvoja. Elementtimallia pyrittiin tarkentamaan eri parametrejä muuttamalla niin, että ominaistaajuuksien arvot vastaavat mahdollisimman hyvin toisiaan. Tavoite saavutettiin.

Ultralujasta teräksestä valmistetun liitoksen pienahitsin staattinen kestävyys

Ultralujat teräkset ovat teräksiä, joiden lujuus on reilusti suurempi verrattuna perinteisiin rakenneteräksiin. Niiden ominaisuuksia hyödynnetään eniten nosto- ja kuljetusvälinete¬ollisuudessa. Ultralujien terästen käyttö avaa suunnittelijalle uusia mahdollisuuksia suun¬nitella ulottuvampia ja kevyempiä rakenteita, jolloin voidaan saavuttaa säästöjä niin val¬mistus- kuin polttoainekustannuksissakin. Ultralujille teräksille ei kuitenkaan ole ole¬massa niitä vastaavia suunnitteluohjeita tai standardeja. Teräsrakenteiden liitosten suun¬nitteluun mitoitusohjeita antava standardi SFS-EN 1993-1-8 ei huomioi teräksiä, joiden myötölujuus on yli 460 MPa. SFS-EN 1993-1-12 on 1993-1-8:n laajennus, joka on voi¬massa myötölujuuteen 700 MPa asti. Tässä diplomityössä tutkittiin ultralujista teräksistä valmistettujen pienahitsiliitosten käyttäytymistä vetokokeiden ja elementtimenetelmän avulla. Tulosten avulla voitiin mää¬rittää matalalujuuksisten terästen mitoitusohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille. Kokeissa käytetty teräs oli Ruukin valmistama Optim 960 QC.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Liikkuvan kivimurskaimen syötinosan rakenneanalyysi osarakennetekniikan avulla

Työn tarkoituksena oli selvittää, miten osarakennetekniikkaa voidaan soveltaa siirrettävän kivimurskaimen syötinosan simuloinnissa. Tätä tutkittiin luomalla kahdella eri ohjelmistolla simulaatiomalli syötinosasta ja mallintamalla syötinosan runko joustavaksi kappaleeksi osarakennetekniikan avulla. Luotujen simulointimallien tarkkuutta selvitettiin vertaamalla niistä saatuja rungon jännityksiä tutkittavan rakenteen rungosta mitattuihin jännityksiin. Työn tarkoituksena oli myös tutkia, miten hyvin simulaatiomallit soveltuvat käytettäväksi syötinosan tuotekehityksessä. Tässä työssä käytettiin syötinosan simulaatiomallin luomiseen ANSYS-ohjelmistoa ja ADAMS-ohjelmistoa. Simulaatiomalleihin lisättiin tutkittavasta järjestelmästä mitattu ohjaussignaali sekä syötinosan jousien arvot. Järjestelmän rakenneominaisuudet saatiin suoraan valmistajan luovuttamista tiedoista. ADAMS-ohjelmistolla mallinnetussa simulaatiomallissa runko mallinnettiin joustavaksi ANSYS-ohjelmistossa, josta se siirrettiin ADAMS-ohjelmistoon. Saaduista tuloksista kävi ilmi, että osarakennetekniikkaa voidaan hyödyntää syötinosan joustavan rungon simuloinnissa. Tutkittavasta järjestelmästä mitatuissa jännityksissä ja simulaatiomalleista saaduissa jännityksissä oli eroja, mutta jännityshistorian muodot ja suuruusluokat vastasivat pääosin toisiaan. Tulosten parantamiseksi tulee selvittää lisää alkuarvoja tutkittavasta järjestelmästä ja varmistua nyt saatujen jousiparametrien oikeellisuudesta.

Vääntökuormitetun koteloprofiilipuomin väsymiskestävyys

Tässä työssä tutkittiin vääntökuormitettua hitsattua koteloprofiilipuomia. Vääntökuormitus aiheuttaa koteloprofiiliin vinouttavan voimasysteemin, joka aiheuttaa kotelopalkkiin sekä poikittaisia taivutusjännityksiä että pitkittäisiä jännityksiä. Vinoutumisen aiheuttamia lisära-situksia on tutkittu analyyttisesti BEF-analogian avulla sekä elementtimenetelmää apuna käyttäen. Lisäksi vääntökuormitus aiheuttaa puomiin estetyn väännön jännityksiä. Väsymiskestoikää tutkittiin laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden avulla sekä las-kennallisesti. Kestoikälaskennassa käytettiin tehollisen lovijännityksen menetelmää hitsin juuren puolen väsymisen arvioinnissa sekä hot spot- jännityksen menetelmää hitsin rajavii-van väsymisen arvioinnissa. Teholliset lovijännitykset sekä hot spot jännitykset ovat määri-tetty elementtimenetelmän avulla. Laboratoriokokeiden ja elementtimenetelmä laskennan perusteella saatiin rakenteen kes-toiän kannalta kriittiset detaljit määritettyä. Kriittiset detaljit sijaitsevat puomin päädyn rakenteissa. Tutkimuksessa saatiin selville, että kriittisten detaljien rakenteellisilla ja valmis-tusteknisillä ratkaisuilla on merkittävä vaikutus lopullisen tuotteen väsymiskestoikään.