A computationally efficient shear deformable beam element for large deformation multibody applications

In this paper, a new two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation is proposed. The nonlinear elastic forces of the beam element are obtained using a continuum mechanics approach without employing a local element coordinate system. In this study, linear polynomials are used to interpolate both the transverse and longitudinal components of the displacement. This is different from other absolute nodal-coordinate-based beam elements where cubic polynomials are used in the longitudinal direction. The accompanying defects of the phenomenon known as shear locking are avoided through the adoption of selective integration within the numerical integration method. The proposed element is verified using several numerical examples, and the results are compared to analytical solutions and the results for an existing shear deformable beam element. It is shown that by using the proposed element, accurate linear and nonlinear static deformations, as well as realistic dynamic behavior, can be achieved with a smaller computational effort than by using existing shear deformable two-dimensional beam elements.

Ilmatorjuntaohjuksen laukaisualustan vaaitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli vaaitusjärjestelmän kehittäminen ITO 2005 Asrad-R –ohjusjärjestelmän laukaisualustalle. Järjestelmäkontin jokaiseen kulmaan suunniteltiin nostojalat, joita voitiin kääntää sekä nostaa ja laskea hydraulisesti. Järjestelmään kuului myös hydraulikäyttöinen asetaso, jonka ylä- ja ala-asennoilla oli erillinen lukitus. Tärkein vaadittu toiminto oli järjestelmäkontin vaaitus maan vetovoiman suhteen epätasaisella alustalla sekä maastossa että kuorma-auton päällä. Lisäksi tarvittiin nostojalkojen nostoliikkeelle toiminto, jolla konttia nostetaan ja lasketaan siten, että se säilyttää lähtökulmansa. Kaikkia nostojalkojen sylintereitä oli mahdollista käyttää myös yksittäin. Järjestelmällä oli kovat ympäristövaatimukset, koska se oli suunniteltu sotalaitteeksi rauhan ja kriisin aikaista toimintaa varten. Riittävät vapausasteet järjestelmän toimimiseksi ajoneuvon apurungon päällä saatiin nostojalkojen rotaatioliikkeen joustosta ja tassujen liukumisesta poikittain apurungon kiinnikkeissä. Maastossa nostojalat olivat täysin jäykkiä ja liukuminen tapahtui tassujen ja maalevyjen välillä. Hydraulijärjestelmässä käytettiin on/off-magneettiventtiilejä, koska liikkeet olivat hitaita ja vaadittuun tarkkuuteen ja nopeuteen päästiin helposti. Keskeisiä suunnittelun lähtökohtia olivat rakenteiden keveys, järjestelmän yksinkertaisuus, hinta ja toimintavarmuus. Yksinkertaisella ja edullisella järjestelmällä saatiin aikaan hyvin toimiva ratkaisu.

Oviympäristön hallinnan kehittäminen ovitoimittajan ja turvaurakoitsijan yhteistyönä

Työn tavoitteena oli selvittää yhteistyön ja verkostoitumisen mahdollisuuksia ovitoimittajan ja turvaurakoitsijan yhteistyönä pyrkien minimoimaan (uudis)rakennuksen oviympäristöön tapahtuvissa toimituksessa eri suunnittelijoiden suunnittelueriäväisyyksistä johtuvia lisätöitä, kustannuksia ja sähläystä eri toimijoiden kesken. Keskeisenä tavoitteena oli saada malli toimivan ovi-turvallisuusympäristön perustaksi. Lisäksi haettiin turvaurakoitsijalle, ovitoimittajalle ja rakennusliikkeelle suosituksia yhteistyön ja yhteistoiminnan edistämiseksi. Eri osapuolten näkemyksiä ja ongelmakohtia haettiin haastattelujen avulla. Tutkimuksesta kävi selkeästi ilmi ettei kukaan varsinaisesti koordinoi oviympäristön suunnittelua kokonaisuutena. Samanaikaisesti rakennusliike on hakenut halvinta hintaa joka nippelille, mikä taas on johtanut urakoiden pirstoutumiseen ja vaikeuttanut tilannetta entisestään. Toimenpide-ehdotuksena esitetään uutta liiketoimintamallia oviympäristön hallintaan. Mallin avulla on mahdollista saada aikaan säästöjä ja vähentää eri toimijoiden sähläyksestä aiheutuvia lisätöitä kuitenkin loppukäyttäjän tarpeet huomioiden. Lisäksi esitetään toimenpide-suosituksia yllä mainittujen toimittajien yhteistyölle.

Laskennallisen läpimenoajan lyhentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää yrityksen käytössä olevaa läpimenoajan laskentakaavaa, sekä löytää keinoja ja toimintamalleja läpimenoajan lyhentämiseen lähinnä puolivalmisteiden osalta. Taustalla on konsernin tavoitteet lyhentää läpimenoaikoja. Työ keskittyi kahteen liiketoimintayksikköön, jotka ovat rakennuslukitus ja laitelukitus. Näillä liiketoimintayksiköillä läpimenoajat ovat selvästi konsernin keskiarvoa korkeammat. Ensin selvitettiin nykytilannetta nimikeanalyysien ja haastattelujen avulla. Läpimenoajan laskentakaavan osatekijät esiteltiin. Seuraavaksi tutkittiin vaikutusmahdollisuuksia laskentakaavan osatekijöihin. Lisäksi laadittiin eräkokojen keskinäisten valmistuserien laskentaan LIMIT-tekniikalla toteutettu laskentataulukko, jota hyödyntämällä varastoissa oleviin nimikkeisiin sitoutunutta pääomaa pystytään minimoimaan. Toimenpide-ehdotuksena esitetään vuosia varastoissa seisseiden nimikkeiden hävittämistä, sekä nimikekohtaisten asetusaikojen selvittämistä ja niiden systemaattista lyhentämistä. Lisäksi ehdotetaan siirtymistä omakustannehinnoittelusta keskivarastohinnoitteluun myös puolivalmisteiden kohdalla. Tällöin laskentakaavaan syntyvät vääristymät saadaan poistettua.

Development of finite elements for analysis of biomechanical structures using flexible multibody formulations

The absolute nodal coordinate formulation was originally developed for the analysis of structures undergoing large rotations and deformations. This dissertation proposes several enhancements to the absolute nodal coordinate formulation based finite beam and plate elements. The main scientific contribution of this thesis relies on the development of elements based on the absolute nodal coordinate formulation that do not suffer from commonly known numerical locking phenomena. These elements can be used in the future in a number of practical applications, for example, analysis of biomechanical soft tissues. This study presents several higher-order Euler–Bernoulli beam elements, a simple method to alleviate Poisson’s and transverse shear locking in gradient deficient plate elements, and a nearly locking free gradient deficient plate element. The absolute nodal coordinate formulation based gradient deficient plate elements developed in this dissertation describe most of the common numerical locking phenomena encountered in the formulation of a continuum mechanics based description of elastic energy. Thus, with these fairly straightforwardly formulated elements that are comprised only of the position and transverse direction gradient degrees of freedom, the pathologies and remedies for the numerical locking phenomena are presented in a clear and understandable manner. The analysis of the Euler–Bernoulli beam elements developed in this study show that the choice of higher gradient degrees of freedom as nodal degrees of freedom leads to a smoother strain field. This improves the rate of convergence.