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.

On Short Exponential Sums Involving Fourier Coefficients of Holomorphic Cusp Forms

By an exponential sum of the Fourier coefficients of a holomorphic cusp form we mean the sum which is formed by first taking the Fourier series of the said form,then cutting the beginning and the tail away and considering the remaining sum on the real axis. For simplicity’s sake, typically the coefficients are normalized. However, this isn’t so important as the normalization can be done and removed simply by using partial summation. We improve the approximate functional equation for the exponential sums of the Fourier coefficients of the holomorphic cusp forms by giving an explicit upper bound for the error term appearing in the equation. The approximate functional equation is originally due to Jutila [9] and a crucial tool for transforming sums into shorter sums. This transformation changes the point of the real axis on which the sum is to be considered. We also improve known upper bounds for the size estimates of the exponential sums. For very short sums we do not obtain any better estimates than the very easy estimate obtained by multiplying the upper bound estimate for a Fourier coefficient (they are bounded by the divisor function as Deligne [2] showed) by the number of coefficients. This estimate is extremely rough as no possible cancellation is taken into account. However, with small sums, it is unclear whether there happens any remarkable amounts of cancellation.

Statistical variation of weld profiles and their expected influence on fatigue strength

The general objective of this study was to conduct astatistical analysis on the variation of the weld profiles and their influence on the fatigue strength of the joint. Weld quality with respect to its fatigue strength is of importance which is the main concept behind this thesis. The intention of this study was to establish the influence of weld geometric parameters on the weld quality and fatigue strength. The effect of local geometrical variations of non-load carrying cruciform fillet welded joint under tensile loading wasstudied in this thesis work. Linear Elastic Fracture Mechanics was used to calculate fatigue strength of the cruciform fillet welded joints in as-welded condition and under cyclic tensile loading, for a range of weld geometries. With extreme value statistical analysis and LEFM, an attempt was made to relate the variation of the cruciform weld profiles such as weld angle and weld toe radius to respective FAT classes.

Kosketukseton hitsin pintageometrian määrittäminen

Yleisesti tiedetään hitsin pintageometrian vaikuttavan rakenteen väsymislujuuteen. Nopean, edullisen ja luotettavan pintageometrian mittausmenetelmän kehittäminen on askel kohti tarkempaa ja varmempaa rakenteen väsymislujuuden tarkastelua. Tässä työssä on tutkittu hitsejä, joiden pinnan geometria on mitattu norjalaisen SINTEF -yrityksen kehittämällä rakenteellisen valon menetelmällä. Osana työtä kehitettiin MatLab -pohjainen ohjelma, jolla jälkikäsitellään mittauksesta saadut x-y-z -mittapisteet. Mittausdatan jälkikäsittelyssä saadaan mittauksesta määritettyähitsin reunan pyöristys, liittymäkulma, a-mitta, reunahaava ja kateettisuhde. Kehitettyä menetelmää käyttämällä mitattiin lähes 300 voimaakantamatontaristiliitoksen hitsiä. Mittaustuloksia verrattiin vastaavista kappaleista tehtyihin hiemittauksiin. Manuaalisen hieestä tehdyn mittauksen havaittiin olevan tarkempi ja pystyttiin havaitsemaan paikallisempia muotoja. Rakenteellisen valon mittauksissa tapahtunut heijastelu saatiin pienenemään käsittelemällä mitattava pinta mattavalkoisella maalilla. Rakenteellisen valon mittatarkkuudeksi saatiin noin 0,2 mm. Pohjautuen mitattuun hitsin reunan pyöristykseen ja liittymäkulmaan voidaan yksinkertaista kaavaa käyttämällä laskea hitsin jännityskonsentraatio ja näin saada alkuarvaus väsymislujuudelle. Myös muiden tekijöiden tiedetään vaikuttavan hitsin väsymislujuuteen, joten pyöristyksen ja liittymäkulman avulla tehdyt arviot eivät ole absoluuttisen oikeita. Tämä havaittiin väsytyskokeilla, joista yhdessä väsymisvaurio ei syntynyt suurimmankaan jännityskonsentraation alueella.

Hankekustannusten laskentamallit EU:n 7. puiteohjelmassa

Tutkielma on luonteeltaan deskriptiivinen kirjallisuuskatsaus, jossa pyritään määrittämään puiteohjelmahankkeiden EU-rahoitusmallit ja kuinka niitä tullaan soveltamaan käytännössä. Työn tarkoituksena on ymmärtää ja kuvata EU:n tutkimus- ja kehitysrahoitusta koskevan 7. puiteohjelman hankekustannusten korvausperiaatteet. Tavoitteena on laatia malli ja esimerkkejä oman kustannusosuuden laskemiseksi hankkeessa. Tutkimustulosten perusteella 7. puiteohjelmassa on tärkeää kustannusten suora kohdentaminen hankkeelle, sillä suoraan kohdennettavien välittömien ja välillisten kustannusten korvausosuus on yleensä selvästi korkeampi kuin kiinteitä korvausosuuksia tai kiinteää kokonaissummaa käytettäessä. Kustannusten raportointi edellyttääkin tarkkaa kirjanpitoa, jonka avulla myös tulevien hankkeiden budjetointi on tarkempaaja helpompaa.

A modified structural stress method for fatigue assessment of welded structures

Fatigue life assessment of weldedstructures is commonly based on the nominal stress method, but more flexible and accurate methods have been introduced. In general, the assessment accuracy is improved as more localized information about the weld is incorporated. The structural hot spot stress method includes the influence of macro geometric effects and structural discontinuities on the design stress but excludes the local features of the weld. In this thesis, the limitations of the structural hot spot stress method are discussed and a modified structural stress method with improved accuracy is developed and verified for selected welded details. The fatigue life of structures in the as-welded state consists mainly of crack growth from pre-existing cracks or defects. Crack growth rate depends on crack geometry and the stress state on the crack face plane. This means that the stress level and shape of the stress distribution in the assumed crack path governs thetotal fatigue life. In many structural details the stress distribution is similar and adequate fatigue life estimates can be obtained just by adjusting the stress level based on a single stress value, i.e., the structural hot spot stress. There are, however, cases for which the structural stress approach is less appropriate because the stress distribution differs significantly from the more common cases. Plate edge attachments and plates on elastic foundations are some examples of structures with this type of stress distribution. The importance of fillet weld size and weld load variation on the stress distribution is another central topic in this thesis. Structural hot spot stress determination is generally based on a procedure that involves extrapolation of plate surface stresses. Other possibilities for determining the structural hot spot stress is to extrapolate stresses through the thickness at the weld toe or to use Dong's method which includes through-thickness extrapolation at some distance from the weld toe. Both of these latter methods are less sensitive to the FE mesh used. Structural stress based on surface extrapolation is sensitive to the extrapolation points selected and to the FE mesh used near these points. Rules for proper meshing, however, are well defined and not difficult to apply. To improve the accuracy of the traditional structural hot spot stress, a multi-linear stress distribution is introduced. The magnitude of the weld toe stress after linearization is dependent on the weld size, weld load and plate thickness. Simple equations have been derived by comparing assessment results based on the local linear stress distribution and LEFM based calculations. The proposed method is called the modified structural stress method (MSHS) since the structural hot spot stress (SHS) value is corrected using information on weld size andweld load. The correction procedure is verified using fatigue test results found in the literature. Also, a test case was conducted comparing the proposed method with other local fatigue assessment methods.

Paperin ja kartongin laserleikkauksen teknistaloudellinen kannattavuus

Diplomityö on tehty kuitumateriaalien laserleikkauksen tutkimusprojektissa ILAC/PAPER. Päätavoitteena on selvittää laserleikkauksen kustannukset ja arvioida kahden laserleikkaussovelluksen taloudellista kannattavuutta. Teoriaosassa tavoitteena on etsiä teknologiainvestoinneista piirteitä, jotka tulee ottaa huomioon hanketta suunnitellessa. Työssä esitellään myös menetelmä teknologiainvestointien arviointiin. Työssä on kolme aihepiiriä; teknologiainvestointien arviointi, laserleikkauksen perusteet ja kuitumateriaalien laserleikkauskustannuksia käsittelevä empiriaosa. Teoriaosan lähdemateriaalina on käytetty toimintolaskentaa ja teknologiainvestointeja käsiteleviä julkaisuja. Empiriaosa on koottu teollisuuden tiedonannoista, tutkimusmateriaalista ja myyntitarjouksista. Teknologiainvestointien perusteleminen on vaikeaa perinteisillä investointilaskennan menetelmillä vähäisistä suorista kustannussäästöistä johtuen. Sopiva menetelmä arvioikin hankkeet laajempina kokonaisuuksina. Laserlaitteistojen vuosittaiset kustannukset ovat suuret. Luotettavuus, huoltovapaus ja joustavuus ovat hyötyjä, jotka tekevät laserlaitteistosta kannattavan. Hankintahinta ja tuottavuus ratkaisevat investoinnin kannattavuuden.

Analytical Study on the Influence of Geometrical Parameters on the Fatigue Strength of Welds with Undercuts

The purpose of this study is to analyze the influence of geometric parameters on the fatigue strength of the welded joint. The thesis includes the analytical study pertaining to variation of undercut and the weld toe radius. The theoretical part includes the concepts of fracture mechanics, different stages of the crack propagation and finally the results. The numerical results are obtained from FRANC2D/L. The results show that the fatigue strength of the welded structure depends on the parameters of the welds such as the weld toe radius, weld angle, height of the undercut and plate thickness. The results show that the fatigue life can be improved by having the undercut as minimum as possible. However there has been significant variation on the fatigue life of the structure when the weld toe radius is increased.

Environmental Monitoring using Image Analysis

Tärkeä tehtävä ympäristön tarkkailussa on arvioida ympäristön nykyinen tila ja ihmisen siihen aiheuttamat muutokset sekä analysoida ja etsiä näiden yhtenäiset suhteet. Ympäristön muuttumista voidaan hallita keräämällä ja analysoimalla tietoa. Tässä diplomityössä on tutkittu vesikasvillisuudessa hai vainuja muutoksia käyttäen etäältä hankittua mittausdataa ja kuvan analysointimenetelmiä. Ympäristön tarkkailuun on käytetty Suomen suurimmasta järvestä Saimaasta vuosina 1996 ja 1999 otettuja ilmakuvia. Ensimmäinen kuva-analyysin vaihe on geometrinen korjaus, jonka tarkoituksena on kohdistaa ja suhteuttaa otetut kuvat samaan koordinaattijärjestelmään. Toinen vaihe on kohdistaa vastaavat paikalliset alueet ja tunnistaa kasvillisuuden muuttuminen. Kasvillisuuden tunnistamiseen on käytetty erilaisia lähestymistapoja sisältäen valvottuja ja valvomattomia tunnistustapoja. Tutkimuksessa käytettiin aitoa, kohinoista mittausdataa, minkä perusteella tehdyt kokeet antoivat hyviä tuloksia tutkimuksen onnistumisesta.

Spectral Analysis of Buffers in Communication Systems

Muokatun matriisi-geometrian tekniikan kehitys yleimmäksi jonoksi on esitelty tässä työssä. Jonotus systeemi koostuu useista jonoista joilla on rajatut kapasiteetit. Tässä työssä on myös tutkittu PH-tyypin jakautumista kun ne jaetaan. Rakenne joka vastaa lopullista Markovin ketjua jossa on itsenäisiä matriiseja joilla on QBD rakenne. Myös eräitä rajallisia olotiloja on käsitelty tässä työssä. Sen esitteleminen matriisi-geometrisessä muodossa, muokkaamalla matriisi-geometristä ratkaisua on tämän opinnäytetyön tulos.

Matrix Analytic Analysis of Delays in Communication Systems

Tässä päättötyössä annetaan kuvaus kehitetystä sovelluksesta Quasi Birth Death processien ratkaisuun. Tämä ohjelma on tähän mennessä ainutlaatuinen ja sen avulla voi ratkaista sarjan tehtäviä ja sitä tarvitaan kommunikaatio systeemien analyysiin. Mainittuun sovellukseen on annettu kuvaus ja määritelmä. Lyhyt kuvaus toisesta sovelluksesta Quasi Birth Death prosessien tehtävien ratkaisuun on myös annettu

Multispectral Analysis of Paper Production Phases

Paperitehtaissa paperin väriä arvioidaan L*a*b –arvojen perusteella. Tämä lähestymistapa ei ole tarkka ja johtaa siihen, että saman luokkaan kuuluvat paperit saatetaan havaita eri värisinä. Tässä diplomityössä tarkastellaan värien arviointia multispektraalisen kuvantamisen avulla. Menetelmän ajatuksena on verrata standardoidun heijastuman spektriä kohteena olevan paperirullan heijastuman spektriin mittaustapojen avulla. 12:n kirjallisuuteen perustuvan ja yhden tutkimusryhmämme kehittämän mittaustavan joukosta pyrittiin valitsemaan parhaat mittaustavat tutkimuksien perusteella. Mittaustavan tehokkuus tarkoittaa kykä tunnistaa eroavaisuuksia värisävyn, värikylläisyyden ja valoisuuden perusteella. Mittaustapoja tutkittiin sekä keinotekoisilla kuvilla että aidoilla paperinäytteillä. Tuloksena maksimi-minimi-, aritmeettisen keskiarvon minimi- ja geometrisen keskiarvon minimimenetelmä olivat parhaita mittaustapoja.

Computing the diameter of Coxeter groups

This thesis addresses the problem of computing the minimal and maximal diameter of the Cayley graph of Coxeter groups. We first present and assert relevant parts of polytope theory and related Coxeter theory. After this, a method of contracting the orthogonal projections of a polytope from Rd onto R2 and R3, d ¸ 3 is presented. This method is the Equality Set Projection algorithm that requires a constant number of linearprogramming problems per facet of the projection in the absence of degeneracy. The ESP algorithm allows us to compute also projected geometric diameters of high-dimensional polytopes. A representation set of projected polytopes is presented to illustrate the methods adopted in this thesis.