Fatigue study of the fillet weld waving on weld toe and the penetration in the weld root based on the effective notch stress approach

The fatigue failure of structures under fluctuating loads in fillet weld joints raises a demand to determine the parameters related to this type of loading. In this study, the stress distribution in the susceptible area of weld toe and weld root in fillet welded models analyzed by finite element method applying FEMAP software. To avoid the geometrical singularity on the path of analytical stress analysis in the toe and root area of a weld model the effective notch stress approach applied by which a proper fictitious rounding that mostly depend on the material of structure is applied. The models with different weld toe waving width and radius are analyzed while the flank angle of weld varied in 45 and 30 degrees. The processed results shows that the waving compare to the straight weld toe makes differences in the value of stress and consequently the stress concentration factor between the tip and depth of the waves in the weld toe which helps to protect the crack of propagation and gives enough time and tools to be informed of the crack initiation in the structure during the periodical observation of structure. In the weld root study the analyses among the models with the welding penetration percentage from non-penetration to the full-penetration shows a slightly increase in the root area stress value which comparing with the stiffening effect of penetration conclude that the half-penetration can make an optimization between the stress increase and stiffening effect of deep penetration.

Full cirkel : Finska Gardets befäl 1829 och 1906

Åke Backström

Functions for estimating stem diameter and tree age using tree height, crown width and existing stand database information

Abstract

Effect of Noncondensable Gases on Circulation of Primary Coolant in Nuclear Power Plants in Abnormal Situations

The present study focuses on two effects of the presence of a noncondensable gas on the thermal-hydraulic behavior of thecoolant of the primary circuit of a nuclear reactor in the VVER-440 geometry inabnormal situations. First, steam condensation with the presence of air was studied in the horizontal tubes of the steam generator (SG) of the PACTEL test facility. The French thermal-hydraulic CATHARE code was used to study the heat transfer between the primary and secondary side in conditions derived from preliminary experiments performed by VTT using PACTEL. In natural circulation and single-phase vapor conditions, the injection of a volume of air, equivalent to the totalvolume of the primary side of the SG at the entrance of the hot collector, did not stop the heat transfer from the primary to the secondary side. The calculated results indicate that air is located in the second half-length (from the mid-length of the tubes to the cold collector) in all the tubes of the steam generator The hot collector remained full of steam during the transient. Secondly, the potential release of the nitrogen gas dissolved in the water of the accumulators of the emergency core coolant system of the Loviisa nuclear power plant (NPP) was investigated. The author implemented a model of the dissolution and release ofnitrogen gas in the CATHARE code; the model created by the CATHARE developers. In collaboration with VTT, an analytical experiment was performed with some components of PACTEL to determine, in particular, the value of the release time constant of the nitrogen gas in the depressurization conditions representative of the small and intermediate break transients postulated for the Loviisa NPP. Such transients, with simplified operating procedures, were calculated using the modified CATHARE code for various values of the release time constant used in the dissolution and release model. For the small breaks, nitrogen gas is trapped in thecollectors of the SGs in rather large proportions. There, the levels oscillate until the actuation of the low-pressure injection pumps (LPIS) that refill the primary circuit. In the case of the intermediate breaks, most of the nitrogen gas is expelled at the break and almost no nitrogen gas is trapped in the SGs. In comparison with the cases calculated without taking into account the release of nitrogen gas, the start of the LPIS is delayed by between 1 and 1.75 h. Applicability of the obtained results to the real safety conditions must take into accountthe real operating procedures used in the nuclear power plant.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Nuorisorikollisuuden esiintyvyys, taustatekijät ja sovittelu

Tausta Vaikka nuorisorikollisuus on kriminologisen tutkimuksen perinteinen kohde, on edelleen tarvetta pitkittäistutkimuksille, joissa on laaja, koko väestöä edustava otos. Kriminaalipolitiikan alalla puolestaan rikosten sovittelu ja muut restoratiivisen oikeuden muodot ovat nousseet Suomessakin haastamaan perinteiset rikoskontrollin paradigmat, rangaistuksen ja hoidon. Tutkimuskysymykset Tutkimuksen pääkysymyksenä oli, mitkä lapsuudessa (8 v.) ja nuoruudessa (18 v.) mitatut psykososiaaliset tekijät ovat yhteydessä nuorisorikollisuuden (16-20 v.) määrään ja lajiin. Lisäksi yhtenä kysymyksenä oli, miten varusmiespalvelun aikaiset psykiatriset diagnoosit liittyvät nuorisorikollisuuteen. Lisäksi tutkimme nuorisorikollisuuden esiintyvyyttä ja palvelujen käyttöä, ja vertailimme eri informanttien (tutkimushenkilöt itse, vanhemmat ja opettajat) vastausten ennusvoimaa lasten tulevan rikollisuuden suhteen. Rikosten sovittelun osalta kysymyksenä oli, miten suomalainen sovittelukäytäntö vastaa restoratiivisen oikeuden teoriaa ja miten sovittelua pitäisi kehittää. Aineisto ja metodit Pitkittäistutkimuksemme aineistona oli valtakunnallisesti edustava satunnaisotos, joka vastasi 10% vuonna 1981 Suomessa syntyneistä suomenkielisistä pojista. Ensimmäinen tiedonkeruu tapahtui 1989, kun pojat olivat 8-vuotiaita. Tietoa kerättiin lomakekyselyin pojilta itseltään sekä heidän vanhemmiltaan ja opettajiltaan. Tietoja saatiin 2946 pojasta. Lasten lomakkeena oli Children’s Depression Inventory, vanhemman lomakkeena Rutter A2 ja opettajan lomakkeena Rutter B2. Toinen tiedonkeruu järjestettiin, kun pojat osallistuivat kutsuntoihin 1999. Tietoja saatiin 2330 pojasta. Lomakkeena oli Young Adult Self-Report . Puolustusvoimien rekisteristä saatiin tiedot poikien kutsunnoissa ja palvelusaikana (vuosina 1999-04) saamista psykiatrisista diagnooseista, jotka luokiteltiin kuuteen luokkaan: antisosiaalinen persoonallisuushäiriö, päihdehäiriöt, psykoottiset häiriöt, ahdistuneisuushäiriöt, masennustilat ja sopeutumishäiriöt. Tieto mahdollisesta diagnoosista saatiin 2712 pojasta. Rikollisuus operationalisoitiin poliisin ns. RIKI-rekisteriin vuosina 1998-2001 rekisteröityjen tekojen avulla, kun pojat olivat pääasiassa 16-20-vuotiaita. Rikosten määrän mukaan pojat jaettiin neljään ryhmään: ei rikoksia, 1-2 rikosta (satunnainen rikollisuus), 3-5 rikosta (uusintarikollisuus) ja yli 5 rikosta (aktiivinen uusintarikollisuus). Rikoslajeista muodostettiin viisi kategoriaa: huume-, väkivalta-, omaisuus-, liikenne- ja rattijuopumusrikollisuus. Analyysivaiheessa rekisteridatasta poistettiin liikennerikkomukset. Kaikkiaan tiedot mahdollisista poliisikontakteista saatiin 2866 pojasta. Sovitteludata koostui 16 sovittelujutun havainnoinnista Turussa vuosina 2001- 2003. Tulokset Kaikkiaan 23% pojista oli rekisteröity rikoksesta (poissulkien liikennerikkomukset) nelivuotisen tutkimusperiodin aikana 16-20-vuotiaana. Satunnaisia rikoksentekijöitä oli 15%, uusijoita 4% ja moninkertaisia uusijoita 4%. Rikokset kasautuivat moninkertaisille uusijoille: tämä 4%:n ryhmä teki 72% kaikista rikoksista . Omaisuus- ja liikennerikollisia oli eniten (kumpiakin 11%), ja huumerikollisia vähiten (4%). Kaikki rikoslajit korreloivat keskenään tilastollisesti merkitsevästi. Nuorisorikollisuuden itsenäisiä ennustekijöitä lapsuudessa olivat rikkinäinen perherakenne, vanhempien alhainen koulutustaso, lapsen käytösongelmat ja hyperaktiivisuus. Kun verrattiin eri informantteja (lapset itse ja heidän vanhempansa ja opettajansa), etenkin opettajien vastaukset ennustivat lasten tulevaa rikollisuutta. Nuoruudessa rikollisuuden itsenäisiä korrelaatteja olivat pienellä paikkakunnalla asuminen, vanhempien ero, seurustelu, itse ilmoitettu antisosiaalisuus ja säännöllinen tupakointi ja humalajuominen. Ennus- ja taustatekijöille oli tyypillistä se, että ne olivat lineaarisessa yhteydessä rikosten määrään (ongelmat ja rikosten määrä lisääntyivät käsi kädessä) ja että ne liittyivät useaan rikoslajiin yhtä aikaa. Huumerikollisuudella oli kuitenkin vähemmän itsenäisiä ennus- ja taustatekijöitä kuin muilla rikoslajeilla. Joka kymmenes poika kärsi psykiatrisista häiriöistä. Tämä ryhmä teki noin puolet kaikista rikoksista, ja lähes joka toinen poika, jolla oli psykiatrinen häiriö, oli rekisteröity rikoksista. Rikolliseen käytökseen liittyivät etenkin antisosiaalinen persoonallisuushäiriö ja päihdehäiriöt. Masennustilat olivat kuitenkin ainoa diagnoosiryhmä, joka ei ollut yhteydessä rikollisuuteen. Myös psykiatristen häiriöiden esiintyvyys kasvoi lineaarisesti rikosten määrän kanssa; aktiivisista uusintarikollisista yli puolella (59%) oli psykiatrinen diagnoosi. Rikollisuuden lisäksi erilaiset psykososiaaliset ongelmat kasautuivat pienelle vähemmistölle. Aktiivisten uusijoiden ryhmään olivat tilastollisesti merkitsevästi yhteydessä lähes kaikki ongelmat mitä tutkimme. Kuitenkin tästä ryhmästä vain alle 3% oli käyttänyt mielenterveyspalveluja viimeisen vuoden aikana. Rikossovittelun havainnointitutkimuksen perusteella sovittelussa monet perusasiat ovat kunnossa, ja toiminta on mielekästä niin asianosaisten kuin yhteiskunnankin kannalta. Useimmiten osapuolet kohtasivat ja saivat aikaan sopimuksen, johon he vaikuttivat tyytyväisiltä. Rikoksentekijät olivat motivoituneita korvaamaan aiheuttamansa vahingot. Osapuolet saivat kertoa tarinansa omin sanoin, heitä kuunneltiin ja he ymmärsivät mitä sovittelussa puhutaan ja sovitaan. Sovittelun kuluessa jännitys väheni ja asiat saatiin loppuunkäsiteltyä. Asianosaiset saivat vaikuttaa prosessiin ja sopimukseen, ja uhrin oikeudet olivat sovittelussa keskeisellä sijalla. Restoratiivisen teorian perusteella sovittelussa havaittiin myös kehittämisen varaa: Etenkin nuoria rikoksentekijöitä oli hankala saada osallistumaan tosissaan, ja aikuiset helposti hallitsivat keskustelua. Etukäteistapaamisia ja tukihenkilöitä ei juuri hyödynnetty. Sovitteluja hallitsi puhe sopimuksesta ja rahasta. Työkorvauksia ei käytetty eikä rehabilitaatiota käsitelty. Sekä sovitteluun pääsy että sovittelumenettely riippuivat yksittäisistä henkilöistä. Johtopäätökset Rikosten tekeminen nuoruudessa on melko yleistä ja monimuotoista. Rikokset ja psykososiaaliset ongelmat kasautuvat pienelle ryhmälle ja kulkevat käsi kädessä. Myös psykiatriset häiriöt ovat lineaarisessa yhteydessä rikosten määrään. Rikosriskiä voidaan ennustaa jo lapsuudessa, ja etenkin opettajat ovat tarkkanäköisiä lasten ongelmien suhteen. Eri rikoslajeilla on varsin samanlaisia taustatekijöitä. Aktiiviset rikoksentekijät vastaavat suuresta osasta kokonaisrikollisuutta, tarvitsevat eniten apua, mutta eivät kuitenkaan hakeudu psykososiaalisten palvelujen piiriin. Rikosten sovittelu tarjoaa keinon puuttua ongelmiin varhaisessa vaiheessa ilman leimaamista. Sovittelun kehitystehtävät liittyvät etenkin dialogiin, valmisteluihin, tukihenkilöihin, työkorvauksiin, palveluunohjaukseen ja sovittelun sovellusalaan. Sovittelua ja muita restoratiivisia menettelyjä on kehitettävä ja laajennettava esimerkiksi niin, että niitä voitaisiin käyttää palveluunohjauksen välineenä.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Characterization Of Process Efficiency Improvement In Laser Additive Manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, has gained a lot of interest in past recent years within various industries, such as medical and aerospace industries. LAM enables fabrication of complex 3D geometries by melting metal powder layer by layer with laser beam. Research in laser additive manufacturing has been focused in development of new materials and new applications in past 10 years. Since this technology is on cutting edge, efficiency of manufacturing process is in center role of research of this industry. Aim of this thesis is to characterize methods for process efficiency improvements in laser additive manufacturing. The aim is also to clarify the effect of process parameters to the stability of the process and in microstructure of manufactured pieces. Experimental tests of this thesis were made with various process parameters and their effect on build pieces has been studied, when additive manufacturing was performed with a modified research machine representing EOSINT M-series and with EOS EOSINT M280. Material used was stainless steel 17-4 PH. Also, some of the methods for process efficiency improvements were tested. Literature review of this thesis presents basics of laser additive manufacturing, methods for improve the process efficiency and laser beam – material- interaction. It was observed that there are only few public studies about process efficiency of laser additive manufacturing of stainless steel. According to literature, it is possible to improve process efficiency with higher power lasers and thicker layer thicknesses. The process efficiency improvement is possible if the effect of process parameter changes in manufactured pieces is known. According to experiments carried out in this thesis, it was concluded that process parameters have major role in single track formation in laser additive manufacturing. Rough estimation equations were created to describe the effect of input parameters to output parameters. The experimental results showed that the WDA (width-depth-area of cross-sections of single track) is correlating exponentially with energy density input. The energy density input is combination of the input parameters of laser power, laser beam spot diameter and scan speed. The use of skin-core technique enables improvement of process efficiency as the core of the part is manufactured with higher laser power and thicker layer thickness and the skin with lower laser power and thinner layer thickness in order to maintain high resolution. In this technique the interface between skin and core must have overlapping in order to achieve full dense parts. It was also noticed in this thesis that keyhole can be formed in LAM process. It was noticed that the threshold intensity value of 106 W/cm2 was exceeded during the tests. This means that in these tests the keyhole formation was possible.

Robust current control of a phase shifted full-bridge buck converter

In this thesis, the main point of interest is the robust control of a DC/DC converter. The use of reactive components in the power conversion gives rise to dynamical effects in DC/DC converters and the dynamical effects of the converter mandates the use of active control. Active control uses measurements from the converter to correct errors present in the converter’s output. The controller needs to be able to perform in the presence of varying component values and different kinds of disturbances in loading and noises in measurements. Such a feature in control design is referred as robustness. This thesis also contains survey of general properties of DC/DC converters and their effects on control design. In this thesis, a linear robust control design method is studied. A robust controller is then designed and applied to the current control of a phase shifted full bridge converter. The experimental results are shown to match simulations.

Direct-Driven Interior Magnet Permanent Magnet Synchronous Motors for a Full Electric Sports Car

The design process of direct-driven permanent magnet synchronous machines (PMSMs) for a full electric 4 ´ 4 sports car is presented. The rotor structure of the machine consists of two permanent magnet layers embedded inside the rotor laminations thus resulting in some inverse saliency, where the q-axis inductance is larger than the d-axis one. An integer slot stator winding was selected to fully take advantage of the additional reluctance torque. The performance characteristics of the designed PMSMs were calculated by applying a twodimensional finite element method. Cross-saturation between the d- and q-axes was taken into account in the calculation of the synchronous inductances. The calculation results are validated by measurements.