Simulation and material calibration of ultra high strength steel (UHSS) S960 welded joint under static tensile test utilizing finite element method (FEM)

The aim of this work was to calibrate the material properties including strength and strain values for different material zones of ultra-high strength steel (UHSS) welded joints under monotonic static loading. The UHSS is heat sensitive and softens by heat due to welding, the affected zone is heat affected zone (HAZ). In this regard, cylindrical specimens were cut out from welded joints of Strenx® 960 MC and Strenx® Tube 960 MH, were examined by tensile test. The hardness values of specimens’ cross section were measured. Using correlations between hardness and strength, initial material properties were obtained. The same size specimen with different zones of material same as real specimen were created and defined in finite element method (FEM) software with commercial brand Abaqus 6.14-1. The loading and boundary conditions were defined considering tensile test values. Using initial material properties made of hardness-strength correlations (true stress-strain values) as Abaqus main input, FEM is utilized to simulate the tensile test process. By comparing FEM Abaqus results with measured results of tensile test, initial material properties will be revised and reused as software input to be fully calibrated in such a way that FEM results and tensile test results deviate minimum. Two type of different S960 were used including 960 MC plates, and structural hollow section 960 MH X-joint. The joint is welded by BöhlerTM X96 filler material. In welded joints, typically the following zones appear: Weld (WEL), Heat affected zone (HAZ) coarse grained (HCG) and fine grained (HFG), annealed zone, and base material (BaM). Results showed that: The HAZ zone is softened due to heat input while welding. For all the specimens, the softened zone’s strength is decreased and makes it a weakest zone where fracture happens while loading. Stress concentration of a notched specimen can represent the properties of notched zone. The load-displacement diagram from FEM modeling matches with the experiments by the calibrated material properties by compromising two correlations of hardness and strength.

Numerical simulation of two-chamber plasma sources using finite element method

Numerical simulation of plasma sources is very important. Such models allows to vary different plasma parameters with high degree of accuracy. Moreover, they allow to conduct measurements not disturbing system balance.Recently, the scientific and practical interest increased in so-called two-chamber plasma sources. In one of them (small or discharge chamber) an external power source is embedded. In that chamber plasma forms. In another (large or diffusion chamber) plasma exists due to the transport of particles and energy through the boundary between chambers.In this particular work two-chamber plasma sources with argon and oxygen as active mediums were onstructed. This models give interesting results in electric field profiles and, as a consequence, in density profiles of charged particles.

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.

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.

A comparative performance study of four-pole induction motors and synchronous reluctance motors in variable speed drives

Design aspects of the Transversally Laminated Anisotropic (TLA) Synchronous Reluctance Motor (SynRM) are studied and the machine performance analysis compared to the Induction Motor (IM) is done. The SynRM rotor structure is designed and manufactured for a30 kW, four-pole, three-phase squirrel cage induction motor stator. Both the IMand SynRM were supplied by a sensorless Direct Torque Controlled (DTC) variablespeed drive. Attention is also paid to the estimation of the power range where the SynRM may compete successfully with a same size induction motor. A technicalloss reduction comparison between the IM and SynRM in variable speed drives is done. The Finite Element Method (FEM) is used to analyse the number, location and width of flux barriers used in a multiple segment rotor. It is sought for a high saliency ratio and a high torque of the motor. It is given a comparison between different FEM calculations to analyse SynRM performance. The possibility to take into account the effect of iron losses with FEM is studied. Comparison between the calculated and measured values shows that the design methods are reliable. A new application of the IEEE 112 measurement method is developed and used especially for determination of stray load losses in laboratory measurements. The study shows that, with some special measures, the efficiency of the TLA SynRM is equivalent to that of a high efficiency IM. The power factor of the SynRM at rated load is smaller than that of the IM. However, at lower partial load this difference decreases and this, probably, brings that the SynRM gets a better power factor in comparison with the IM. The big rotor inductance ratio of the SynRM allows a good estimating of the rotor position. This appears to be very advantageous for the designing of the rotor position sensor-less motor drive. In using the FEM designed multi-layer transversally laminated rotor with damper windings it is possible to design a directly network driven motor without degrading the motorefficiency or power factor compared to the performance of the IM.

Kylmämuovatun putkipalkin väsyminen metsätyökoneen puomirakenteessa

Työssä on tutkittu kylmämuovatun suorakaideputkipalkin väsymistä metsätyökoneen puomirakenteen osana. Kylmämuovatun putkipalkin sisäpintaan syntyy käytössä puristavan ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta putkipalkin pituussuunnassa sekä seinämän läpi kasvavia säröjä. Työn tarkoituksena on ollut selvittää rakenteen väsymiskestoikä sekä säröytymisen aiheuttavat tekijät. Työssä on verrattu kestoikälaskentaan ja särönkasvuun sovellettujen murtumismekaniikan ja elementtimenetelmän tuloksia laboratoriokokeista saatuihin tuloksiin. Toisiaan tukevien tulosten perusteella kylmämuovausprosessissa syntyneiden jäännösjännitysten osuus särön ydintymisessä, kasvussa ja sen käyttäytymisessä on ulkoisen kuorman paikallisen vaikutuksen lisänä erittäin merkittävä. Putkipalkin väsyminen onkin jäännösjännityksistä riippuva särönkasvuilmiö.

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.

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.

Inductance Calculation of Tooth-Coil Permanent-Magnet Synchronous Machines

Analytical calculation methods for all the major components of the synchronous inductance of tooth-coil permanentmagnet synchronous machines are reevaluated in this paper. The inductance estimation is different in the tooth-coil machine compared with the one in the traditional rotating field winding machine. The accuracy of the analytical torque calculation highly depends on the estimated synchronous inductance. Despite powerful finite element method (FEM) tools, an accurate and fast analytical method is required at an early design stage to find an initialmachine design structure with the desired performance. The results of the analytical inductance calculation are verified and assessed in terms of accuracy with the FEM simulation results and with the prototype measurement results.

Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä

Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä. Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus. Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta. Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan. Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin. Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Investigation of the fatigue performance of welded duplex stainless steel

Diplomityössä tutkitaan hitsatun duplex-teräksen, laatu: EN 1.4462 (Outokumpu laatu 2205) väsymislujuutta. Tutkimusmetodologia noudattaa sekä kokeellisia että laskennallisia menetelmiä. Kokeelliset menetelmät sisältävät hitsatun teräksen väsytystestaukset laboratoriossa, hitsausten jälkikäsittelyt (HiFIT) sekä perusaineelle ja hitseille tehtävät metallurgiset tutkimukset. Väsytyskokeista saatavia tuloksia verrataan kansainvälisen hitsausinstituutin (IIW) vahvistamiin rakennekohtaisiin standardeihin sekä kirjallisuudessa esiintyviin tutkimustuloksiin. Laskennalliset menetelmät sisältävät vertailulaskelmia tehollisen lovijännityksen (ENS) menetelmää hyödyntäen. Tehollisen lovijännityksen menetelmässä liitoksissa vaikuttavat teholliset lovijännitykset selvitetään elementtimenetelmän (FEM) avulla. Tulokset vahvistavat, että hitsauksella ja hitsausten jälkikäsittelyllä on suuri merkitys rakenteen kestoikään. Suurin osa väsytyskokeiden tuloksista osoitti parempia väsymiskestävyyden arvoja kuin rakennekohtaiset standardit, mutta liitosten liitosvirheiden todettiin heikentävän väsytyskestävyyttä. Jälkikäsittelyiden todettiin parantavan liitosten väsymiskestävyyden tuloksia ja todettiin tulosten olevan hyödynnettävissä mitoituksessa.

Effective notch method assessment of misalignment for fatigue loaded welds

 The objective of this thesis work was to assess axial misalignment in fatigue loaded welds using the effective notch method. As a result, the fatigue behaviour of non-load carrying cruciform fillet welded joint under cyclic tensile loading has been studied. Various degrees of axial misalignment have been found in one series of non-load carrying cruciform fillet welded joints used in a laboratory investigation. As a result, it was important to carry out a comprehensive investigation since axial misalignment forms part of thequality of fatigue loaded structure and can reduce the fatigue strength. To extend the study, the correlation between fatigue strength and stress ratio, as well as stress concentration factor, were also studied. Moreover, a closer investigation of place of crack initiation and its dependence on weld sequence and imperfections of test specimen (angular distortion) was studied. For the fatigue class calculations, FEM (finite element method) and the effectivenotch approach are used. The addressed variable is the axial misalignment whichis introduce by modeling the entire joint. Fracture mechanics based calculations are also used and quantitatively compared with effective notch and experimental results.

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.

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.