Modal testing and numerical modeling of the dynamic properties of layered sheet-steel structure

Recently, due to the increasing total construction and transportation cost and difficulties associated with handling massive structural components or assemblies, there has been increasing financial pressure to reduce structural weight. Furthermore, advances in material technology coupled with continuing advances in design tools and techniques have encouraged engineers to vary and combine materials, offering new opportunities to reduce the weight of mechanical structures. These new lower mass systems, however, are more susceptible to inherent imbalances, a weakness that can result in higher shock and harmonic resonances which leads to poor structural dynamic performances. The objective of this thesis is the modeling of layered sheet steel elements, to accurately predict dynamic performance. During the development of the layered sheet steel model, the numerical modeling approach, the Finite Element Analysis and the Experimental Modal Analysis are applied in building a modal model of the layered sheet steel elements. Furthermore, in view of getting a better understanding of the dynamic behavior of layered sheet steel, several binding methods have been studied to understand and demonstrate how a binding method affects the dynamic behavior of layered sheet steel elements when compared to single homogeneous steel plate. Based on the developed layered sheet steel model, the dynamic behavior of a lightweight wheel structure to be used as the structure for the stator of an outer rotor Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator designed for high-power wind turbines is studied.

Maastoajoneuvon korin teräsrakenteiden värähtelyominaisuuksien FEM-analysointimenetelmien kehittäminen

Tämä diplomityö on tehty Patria Vehicles Oy:n toimeksiannosta. Patria Vehicles Oy:n tuotantoon kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot. Tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää menetelmäohjeet, kuinka FEM-analyysillä voidaan tutkia tuotekehitysvaiheessa ajoneuvon korin teräsrakenteiden värähtelyominaisuuksia ja dynaamista käyttäytymistä. Tutkimuksessa on käytetty Ideas-FEM-ohjelmistoa. Dynaamisten ongelmien ratkaisemiseksi on ymmärrettävä rakenteiden dynaamista käyttäytymistä. Rakenteiden käyttäytymistä ja muodonmuutoksia on tutkittava kriittisillä ominaistaajuuksilla. Tutkimuksessa on selvitetty, kuinka ajoneuvon elementtimallilla voidaan tehdä ominaisvärähtely- ja vastelaskentaa. Ominaisvärähtelylaskennalla selvitetään rakenteen ominaismuodot ja -taajuudet. Vastelaskennalla tutkitaan erilaisten herätteiden vaikutuksia ajoneuvon dynaamiseen käyttäytymiseen ja määritetään herätteistä rakenteeseen aiheutuvat vasteet ja herätteiden siirtyvyys rakenteessa. Lisäksi tutkitaan herätteiden aiheuttamia todellisia jännityksiä ja siirtymiä, jotta saadaan selville rakenteen todelliset rasitukset. Analyyseillä voidaan tutkia, kuinka ajoneuvon korirakennetta on jäykistettävä ja vaimennettava, jotta siinä ei esiinny haitallista melua ja värähtelyä.

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.

Polymeeripinnoitteen aiheuttamat itseherätteiset värähtelyt nipillisessä telasysteemissä

Lukuisissa teollisuussovelluksissa materiaalien, kuten paperin ja teräslevyjen, muokkaamiseen käytettävät pyörivät nippitelat kärsivät aina erilaisten herätteiden synnyttämistä mekaanisista värähtelyistä, jotka voivat aiheuttaa virheitä valmistettaviin tuotteisiin. Tässä työssä tutkittiin viskoelastisia polymeerejä ja polymeeripinnoitteen nipilliseen telasysteemiin synnyttämiä haitallisia itseherätteisiä värähtelyjä. Työn polymeerejä käsittelevässä kirjallisuusosassa luotiin katsaus amorfisten polymeerien fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin tarkemmin kahden amorfisen telapinnoitepolymeerin termoreologisia ja mekaanisia ominaisuuksia suoritettujen DMTA-mittausten perusteella. Sovittamalla toisen polymeerin master-käyrään yleistetty lineaarisen standardiaineen malli saatiin selville polymeerin mekaaniset parametrit ja approksimaatio sen relaksaatiospektrille. Telapinnoitteen nipilliseen systeemiin synnyttämiä itseherätteisiä värähtelyjä ja niiden seurauksia tarkasteltiin kahdelle telalle ja polymeeripinnoitteelle kehitetyn analyyttisen mallin ja numeeristen laskujen avulla. Pinnoite mallinnettiin lineaarisen standardiaineen mukaisesti. Telasysteemin parametrit määritettiin DMTA-mittaustuloksista ja systeemiä vastaavasta koelaitteesta kokeellisella moodianalyysillä ja elementtimenetelmällä. Numeerisesta stabiilisuusanalyysistä ja liikeyhtälöiden integroinneista saadut tulokset kertovat telapinnoitteen aaltomaisista deformaatiomuodoista ja niiden synnyttämistä taajuusalueittain esiintyvistä epästabiileista värähtelyistä. Telasysteemi on epästabiili pinnoitedeformaatiokuvion systeemiin aiheuttaman herätevoiman taajuuden ollessa lähellä systeemin korkeampaa ominaistaajuutta. Numeerisista tuloksista voitiin ennustaa nopean ja hitaan barringin olemassaolo.

Kokeellisen moodianalyysin hyödyntäminen sääriluun lujuuden määrittämisessä

Diplomityö tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan laitokselle. Diplomityö on osa teknillisen yliopiston biomekaanista tutkimusta, jonka tarkoituksena on mallintaa ihmisen tuki- ja liikuntaelimistön toimintaa. Työssä pyrittiin selvittämään, voitaisiinko sääriluuhun kohdistetun mekaanisen herätteen aiheuttamaa värähtelyvastetta analysoimalla saada tietoa luun ominaistaajuuksista ja lujuudesta. Tietoa voitaisiin käyttää esimerkiksi ostoporoosiriskin arvioinnissa sekä ihmiskehon osien toimintaa kuvaavien simulointimallien verifioinnissa. Mittauslaitteistona käytettiin Brüel & Kjær-moodianalyysilaitteistoa. Laitteistokokonaisuuteen kuuluivat herätevasara, elektromagneettinen täristin, voima-anturi, kaksi kiihtyvyysmitta-anturia sekä PulseLab 2.0 –ohjelmistolla varustettu PC-laitteisto. Tulosten jatkoanalyysi suoritettiin MathWorks yhtiön MatLab v 4.0 -ohjelmistolla. Työssä esitellyn mittaustavan ja -laitteiston todettiin soveltuvan sääriluun värähtelyvasteen mittaamiseen. Mittaustulokset eri mittauskertojen välillä samalla henkilöllä ovat yhtenevät. Tutkimuksen tulosten perusteella ei voida osoittaa luun värähtelyvasteen ja lujuuden välistä suoraa korrelaatiota.

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.

Vibration free machining tools

Appearance of the vibration is the very important problem in long tool turning and milling. Current solutions of minimizing vibrations provided by different tool suppliers are very expensive. This Master’s Thesis is presenting the new type of vibration free machining tools produced by Konepaja ASTEX Gear Oy that have cheaper production costs compare to competitors’ products. Vibration problems in machining and their today’s solutions are analyzed in this work. The new vibration damping invention is presented and described. Moreover, the production, laboratory experimental modal analysis and practical testing of the new vibration free prototypes are observed and analyzed on the pages of this Thesis. Based on the testing results the new invention is acknowledged to be successful and approved for further studies and developments.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

Merikonttien testilaitteiston suunnittelu

Merikonttien käyttöön rahtiliikenteessä liittyy niiden fyysisen kunnon säännöllinen tarkastaminen. Konttien tarkastaminen nykyisillä tavoilla on koettu vievän liikaa aikaa ja rahaa. Ratkaisuna tähän konttien tarkastaminen pyritään mekanisoimaan kehittämällä testilaitteisto, jolla kontin voi tarkastaa nopeasti ja edullisesti. Tässä diplomityössä perehdytään kyseiseltä laitteistolta vaadittaviin mekaanisiin ominaisuuksiin ja laitteiston suunnitteluun. Työn alussa selvitetään laitteistolta vaadittavat mekaaniset ominaisuudet. Tämän jälkeen siirrytään ideoimaan mahdollisia ratkaisuja vaadittavien ominaisuuksien toteuttamiseksi. Valittujen ideoiden pohjalta suunnitellaan testilaitteisto ja tehdään siitä valmistuspiirustukset. Työssä suoritetaan myös koemittaukset jo olemassa oleville testilaitteistojen prototyypeille ja arvioidaan näiden suorituskykyä.

Sellumassan varastosäiliön rakenneanalyysi

Tämä työ käsittelee valkaistun ja valkaisemattoman sellumassan varastosäiliön tärinää ja värähtelyä. Värähtelyn seurauksena säiliön seinämän jäykisterenkaan hitsausliitokseen on syntynyt särö. Työn tavoitteena on selvittää, mikä johtaa särön syntyyn ja miten kestäväm-piä varastosäiliöitä voidaan rakentaa materiaali-, valmistus- tai rakennemuutoksien avulla. Työ alkoi tutkimalla rakennemateriaalina olevan duplex-teräksen mikrorakenteen ominai-suuksia, sekä sen hitsattavuutta ja seostamista kirjallisuustutkimuksena. Kirjallisuustutki-musta jatkettiin selvittämällä mahdollisia vaurion syntymekanismeja seinämän särölle. Työssä analysoitiin myös tehtaalla mitattuja värähtelyarvoja. Lopuksi laskettiin FE-analyysillä tyhjän varastosäiliön ominaismuodot ja -taajuudet moodianalyysillä, sekä selvi-tettiin harmonisella analyysillä pinnankorkeuden vaihtelun vaikutus siirtymävasteeseen ja kriittisiin värähtelytaajuuksiin. Varastosäiliöön kohdistuvaa värähtelyä ei ole mahdollista poistaa kokonaan, mutta väräh-telyn aiheuttamia seurauksia kyetään rajaamaan useilla keinoilla. Toimenpiteinä voivat olla ainakin seinämän materiaalin paksuuden lisääminen, jäykisteripojen lisääminen ja kriittisten sellun pinnankorkeuksien välttäminen. Kriittiseksi pinnankorkeudeksi havaittiin 40–45 %:n täyttöaste ja turvalliseksi korkeudeksi 35–38 %:n täyttöaste. Varastosäiliölle kriittisen ominaistaajuuden katsotaan syntyvän taajuuksilla 3,3–3,8 Hz ja 5,8–6,4 Hz. Sellumassa putoaa varastosäiliöön noin 2 Hz taajuudella.

More than Words? An Analysis on the Language and Structure of General Election Manifestos of the British Labour Party 1983-2005

The topic of this study is the language of the educational policies of the British Labour party in the General Election manifestos between the years 1983-2005. The twenty-year period studied has been a period of significant changes in world politics, and in British politics, especially for the Labour party. The emergence educational policy as a vote-winner of the manifestos of the nineties has been noteworthy. The aim of the thesis is two-fold: to look at the structure of the political manifesto as an example of genre writing and to analyze the content utilizing the approach of critical discourse analysis. Furthermore, the aim of this study is not to pinpoint policy positions but to look at what is the image that the Labour Party creates of itself through these manifestos. The analysis of the content is done by a method of close-reading. Based on the findings, the methodology for the analysis of the content was created. This study utilized methodological triangulation which means that the material is analyzed from several methodological aspects. The aspects used in this study are ones of lexical features (collocation, coordination, euphemisms, metaphors and naming), grammatical features (thematic roles, tense, aspect, voice and modal auxiliaries) and rhetoric (Burke, Toulmin and Perelman). From the analysis of the content a generic description is built. By looking at the lexical, grammatical and rhetorical features a clear change in language of the Labour Party can be detected. This change is foreshadowed already in the 1992 manifesto but culminates in the 1997 manifesto which would lead Labour to a landslide victory in the General Election. During this twenty-year period Labour has moved away from the old commitments and into the new sphere of “something for everybody”. The pervasiveness of promotional language and market inspired vocabulary into the sphere of manifesto writing is clear. The use of the metaphors seemed to be the tool for the creation of the image of the party represented through the manifestos. A limited generic description can be constructed from the findings based on the content and structure of the manifestos: especially more generic findings such as the use of the exclusive we, the lack of certain anatomical parts of argument structure, the use of the future tense and the present progressive aspect can shed light to the description of the genre of manifesto writing. While this study is only the beginning, it proves that the combination of looking at the lexical, grammatical and rhetorical features in the study of manifestos is a promising one.

Simulation of structural stress history based on dynamic analysis

Modern machine structures are often fabricated by welding. From a fatigue point of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical amount of computational effort. The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed up the product development process. Also, to take operator influence into account, real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required. This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed during dynamic simulation. The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural detail during or after dynamic simulation. In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed approach in practice. The results show that approach is applicable and can be used as proposed.