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.

A support system for evaluating a suitable joining method in the production of sheet metal goods

This report illustrates a comparative study of various joining methods involved in sheet metal production. In this report it shows the selection of joining methods, which includes comparing the advantages and disadvantages of a method over the other ones and choosing the best method for joining. On the basis of various joining process from references, a table is generated containing set of criterion that helps in evaluation of various sheet metal joining processes and in selecting the most suitable process for a particular product. Three products are selected and a comprehensive study of the joining methods is analyzed with the help of various parameters. The table thus is the main part of the analysis process of this study and can be advanced with the beneficial results. It helps in a better and easy understanding and comparing the various methods, which provides the foundation of this study and analysis. The suitability of the joining method for various types of cases of different sheet metal products can be tested with the help of this table. The sections of the created table display the requirements of manufacturing. The important factor has been considered and given focus in the table, as how the usage of these parameters is important in percentages according to particular or individual case. The analysis of the methods can be extended or altered by changing the parameters according to the constraint. The use of this table is demonstrated by pertaining the cases from sheet metal production.

Toimintasuunnitelman laatiminen ohutlevytuotteita ja hitsauskokoonpanoja valmistavalle yritykselle

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda ohutlevytuotteita ja hitsauskokoonpanoja valmistavalle yritykselle kokonaisvaltainen toimintasuunnitelma ja esitellä erilaisia tuotantomalleja case-esimerkkien avulla. Työn aikana kartoitettiin yrityksennykytilannetta ja ongelmakohtia, pohdittiin nykyistä konekantaa ja löytyneitä pullonkauloja. Lisäksi suunniteltiin korjaustoimenpiteitä ja mitä tulisi tehdä, kun tulevaisuudessa yrityksen liikevaihto tulee kasvamaan ja yritystä tullaan laajentamaan. Pääpaino oli myös laskelmilla, joissa selvitettiinmahdollisten investointien tuntihintaa. Tuntihinnan avulla laadittiin taulukoita, joiden avulla ulosmyyntihinta on helppo määrittää. Tuntihinta kytkettiin sijoitetulle pääomalle haluttuun tuottoprosenttiin.

Ohutlevy-yrityksen mekaanisen valmistuksen tehostaminen

Diplomityön tavoitteena on tehostaa ohutlevytuotteita valmistavan yrityksen toimintaa ja parantaa tuotannon ohjattavuutta. Tuotannon tehostamisessa keskitytään minimoimaan asetusajat, pienentämään eräkokoja ja investoimaan valmistusta helpottaviin työkoneisiin tai -laitteisiin. Tuotannon ohjattavuutta kehitetään helpottamalla visuaalista seurantaa, layout-muutoksilla ja FiFo-ohjauksen käyttöönotolla. Kaikilla kehitystoimenpiteillä pyritään lyhentämään tuotannon läpimenoaikaa ja vähentämään keskeneräisen tuotannon määrää. Tavoitteena on luoda pohja Lean-valmistukselle. Kehitystoimenpiteet keskitetään useimmiten pullonkauloiksi muodostuville osastoille. Kapeikkojen avaamisessa hyödynnetään CIM-projektin mukaisesti tehtäviä investointeja. Uudella robottisärmäysyksiköllä mahdollistetaan litistäminen ja särmääminen yhdellä asetuksella. Kokoonpano-osaston sijaintia muutettiin ja osaston layoutista tehtiin linjamainen. Tuotannonohjauksen kehittämiseksi luotiin yksinkertainen kolmen askeleen kehitysmalli.

Optinen kolmiulotteinen mittaus ohutlevytuotteiden laadunvalvonnassa

Ohutlevyteollisuuden markkinatilanne on muuttunut, kun tuotantomäärät ovat kasvaneet, laatuvaatimukset tiukentuneet ja markkinat globalisoituneet. Konenäön avulla on mahdollista tehostaa laadunvalvontaa, jolloin virheet voidaan havaita nopeammin ja siten säästää tuotantokustannuksissa. Muotoiltujen ohutlevyosien tarkastamiseksi tarvitaan kolmiulotteisia mittausmenetelmiä, joilla pystytään varsin nopeasti ja tarkasti analysoimaan kappaleita. Erityisesti fotogrammetriaan perustuvaa rakenteista valoa on sovellettu erilaisissa mittalaitteissa, ja menetelmä on myös varsin joustava sekä edullinen käyttää. Fotogrammetriaan ja rakenteiseen valoon perustuvista mittalaitteista valittiin arvioitavaksi Mapvision 4D. Testeissä tutkittiin laitteen tarkkuutta, nopeutta ja soveltuvuutta teollisuusympäristöön sekä erityisesti taivutuskulmien, reikien halkaisijoidenja etäisyyksien mittaamista. Sovittamalla mitattu data CAD-malliin pystytään kappaleen mitoitus tarkastamaan vaaditulla 0,1 millimetrin tarkkuudella. Testitulosten perusteella voidaan todeta sekä mittalaitteen että mittausmenetelmän soveltuvan ohutlevykappaleiden laadunvalvontaan, kunhan reunojen määrityksessä esiintyvä säännöllinen epätarkkuus otetaan huomioon.

Aihiovalmistustoiminnan kehittäminen ohutlevytuotetehtaassa

Työ käsittelee aihiovalmistustoiminnan kehittämistä ohutlevytuotetehtaassa. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää aihiovalmistustiimin toiminnan edellytyksiä uudistuvan laitekannan tuomien mahdollisuuksien avulla muuttuvassa johtamiskulttuurissa. Kirjallisuusosassa tarkastellaan konepajatoiminnan tunnuslukuja ja ohutlevytekniikoiden teoriaa. Konepajatekniikan ohella käsitellään mm. johtamismenetelmien kehitystä yleisesti sekä erityisesti prosessijohtamista. Kokeellisessa osassa tarkastellaan eri raaka-ainevaihtoehtojen soveltuvuutta ohutlevytuotteille ja –rakenteille sekä materiaalikäytön kehittämisen kustannusvaikutuksia. Laiteinvestoinnin vaikutuksia tarkastellaan käytössä olevan konekapasiteetin hyödyntämisen kannalta. Aihiovalmistustoiminnan kehittämistä tarkastellaan kahden vuoden aikajänteellä, jona aikana kohdeyrityksessä ollaan implementoimassa prosessijohtamiseen perustuvaa prosessiorganisaatiomallia. Tutkimustuloksia tullaan hyödyntämään kohdeyrityksen operatiivisessa työskentelyssä.

Terästuotteiden hinnaston uudistaminen

Työn tavoitteena oli uudistaa Rautaruukki Steelin terästuotteiden hinnasto päätuotteiden osalta. Rautaruukki Steelin päätuotteita ovat kuuma- ja kylmävalssatut, kuumasinkityt ja maalipinnoitetut Raahen ja Hämeenlinnan tehtaiden tuottamat terästuotteet. Ensin selvitettiin tuotantohyödykkeiden hinnoittelua ja eri hinnoittelumenetelmiä kirjallisuuden avulla. Tämän jälkeen selvitettiin hinnaston nykytilaa ja uudistetun hinnaston tavoitteita. Hinnaston uudistamisessa käytettiin apuna kilpailijaseurantaa kahden tärkeimmän kilpailijan osalta, paperiteollisuuden benchmarkingia sekä myyntihenkilöstön ja asiakkaiden haastatteluja. Lopuksi perehdyttiin tuotanto- ja kustannusrakenteeseen. Hinnaston uudistamisen taustalla ovat yrityksen strategia- ja teräsmarkkinoiden muutokset. Teräksen hinnoittelu voi olla nyt vapaampaa ja harmonisoiduista hinnastorakenteista ja yhtenevistä perushintaan perustuvista hinnoista voidaan siirtyä kohti Rautaruukin omia tuotanto- ja kustannusrakenteita vastaavaan hinnoitteluun. Hinnaston uudistuksella pyritään myös läpinäkyvyyden ja vertailtavuuden häivyttämiseen. Lisäksi taustalla on brandituotteiden aseman vahvistaminen ja kannattavuuden nostaminen. Perushintapohjaisesta hinnoittelusta kokonaan luopuminen kaatui suurimmaksi osaksi myyntihenkilöstön vastustukseen, jonka vuoksi hinnasto jaettiin kahteen osaan: standardituote- ja brandituotehinnastoihin. Standardituotteiden hinnoittelussa pitäydyttiin nykyisen kaltaisessa kilpailijasuuntautuneessa hinnoittelussa, kun taas brandituotteiden hinnoittelussa sovellettiin markkinalähtöistä efektiivihinnoittelua.

Ohutlevytuotteen valmistuskustannusten määrittely suunnitteluvaiheessa

Diplomityössä kehitetään ABB Oy Drives:lle menetelmää, jolla voidaan ennustaa ohutlevyosien ja niistä koostuvien kokoonpanojen hintaa ilman tarkkaa valmistuksellista geometriatietoa. Työ on osa Tekesin rahoittamaa Piirre 2.0 -projektia. Työn teoriaosa määrittelee lyhyesti ohutlevytuotteet ja niiden valmistusmenetelmät. Laajemmassa teoriatarkastelussa ovat erilaiset ohutlevytuotteiden valmistuskustannusten ennustamismenetelmät regressioanalyysin käyttöön painottuen. Käytännön osiossa määritetään Finn-Power LP6 -levytyökeskuksen suorituskyky ja muodostetaan työaikalaskuri kerättyyn tietoon perustuen. Lisäksi muodostetaan regressioanalyysit kahden eri alihankkijan valmistamien ohutlevytuotteiden pohjalta. Regressiotekniikoiden avulla etsitään kustannuksiin voimakkaasti vaikuttavat parametrit ja muodostetaan laskukaava valmistuskustannusten ennustamiseen. Lopuksi vertaillaan teorian ja käytännön osien yhteensopivuutta ja etsitään syitä havaittuihin eroihin. Tutkimustulosten hyödyntämismahdollisuuksien ohella esitetään myös eräitä jatkokehitysehdotuksia.

Suorakulmaisten palonrajoittimien valmistettavuuden kehittäminen

Palonrajoittimet ovat tuotteita, jotka estävät tulen ja savun leviämisen palo-osastosta toiseen ja mahdollistavat ihmisten turvallisen ulospääsyn palotilanteessa. Tämän diplomityön tavoitteena oli vähentää suorakulmaisten palonrajoittimien valmistuskustannuksia niiden valmistettavuutta kehittämällä. Työn teoriaosassa käsitellään valmistettavuutta ja kokoonpantavuutta kehittäviä menetelmiä DFM:ää (Design for Manufacturability) ja DFA:ta (Design for Assembly) sekä palonrajoittimien ja ohutlevytuotteiden erityispiirteitä. Käytännön osuudessa esitellään tutkimusta varten valmistetut kolme kehitettävää palonrajoitinta, joita vertaillaan myös kilpaileviin tuotteisiin. Tuotteista analysoidaan osamääriä, materiaalikustannuksia ja työaikoja. Palonrajoittimien ongelmakohtia olivat muun muassa liittäminen ja kokoonpantavuus. Työssä esitetään keinoja palonrajoitinten valmistusystävälliseen suunnitteluun ja uusi moduloitu tuoteperhemalli, jolla vähennetään varsinkin valmistuksesta aiheutuvia kiinteitä kustannuksia. Lisäksi työssä esitetään alustava runkoratkaisumalli uudelle tuoteperheelle.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Valssien käytettävyys ja kunnossapito terästehtaassa

Valssi on valssauslaitteiston keskeinen komponentti. Valssauksessa aihiota muokataan kuljettamalla sitä kahden valssin muodostaman raon välistä. Valssit altistuvat valssausprosessissa korkealle lämpötilalle ja pintapaineelle. Valsseille asetettavat vaatimukset tiukkenevat tuottavuuden vaatimusten kiristyessä. Valssit, yhtenä valssauslaitteiston komponenteista, muodostavat suuren osan valssauksen kustannuksista, joten valssien käyttöiän pidentämisen avulla voidaan parantaa valssauksen tuottavuutta ja kustannustehokkuutta. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin valssien käytettävyyttä ja kunnossapitoa, sillä näitä asioita kehittämällä on mahdollista saavuttaa valsseille pidempi kestoikä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvityksenä, jota täydennettiin valssausta tekevien yritysten haastatteluilla. Tavoitteena oli kerätä saatavissa oleva kirjallinen ja hiljainen tieto yksiin kansiin ja tutkia mahdollisia syy-seuraussuhteita valssien käytettävyyteen vaikuttavien ilmiöiden sekä valssien kulumisen ja vaurioitumisen välillä. Tutkimuksessa havaittiin, että vauriotyypit ovat riippuvaisia valssausprosessista, jolla tarkoitetaan, että kuuma- ja kylmävalssauksessa esiintyy erilaisia vauriotyyppejä. Kuuma- ja kylmävalssauksessa myös valssien kulumiseen vaikuttavat erilaiset ilmiöt. Valssien kulumista ja vaurioita on mahdollista ehkäistä erilaisilla pintakäsittely- ja pinnoitusmenetelmillä. Valssien kunnossapidon toteutusta tutkittaessa havaittiin, että kuluneiden valssien vaihto kunnostettuihin pyritään suorittamaan mahdollisimman nopeasti ja tätä varten on saatavilla kyseiseen tarkoitukseen kehitettyjä laitteistoja. Kuluneet valssit sorvataan ja hiotaan, jotta niiden pinnasta saadaan tasainen ja saavutetaan haluttu halkaisija. Tämän jälkeen pinnoitusmenetelmiä on mahdollista suorittaa uudelleen. Kunnossapitotoimenpiteet tehdään joko yrityksen omalla korjaamolla tai alihankintana toisen yrityksen tiloissa.

Possibilities of advanced MAG-welding processes in shipbuilding

In shipbuilding industry welding of primer coated and tack welded steel products cause different issues. Primer coated steel products are commonly used at shipyards to ensure corrosion free storage of products in outdoor conditions. However usage of primer can cause imperfections to welds. To prevent porosity primed steel products are usually welded with tubular welding wires. Tack welds cause commonly interferences in mechanized welding when over welded, which increases costs related to welding due to increased need of preparing and repairing. The aim of this study is to research possibilities of advanced solid wire MAG-welding processes to deal with these two previously mentioned problems. This study concentrates to examine possibilities of MAG-welding, pulse MAG-welding, double pulse MAG-welding, RapidArc and ForceArc processes. Large amount of experiments were made to find out the produced porosity and the ability to over weld tack welds with each process in different circumstances. In welding of primed steel products porosity is caused mainly by hydrogen, CO, CO2, nitrous gases and zinc fumes. It was found in experiments that porosity of MAG-welding can be greatly decreased by using pulse MAG-welding instead. Also reduction of welding speed, usage of air gap and usage of solid wire product with higher amount of alloying elements reduces porosity. Researched advanced MAG-welding processes did not have an improvement into over welding of tack welds. With studied throat thicknesses and welding positions conventional MAG-welding managed better over welding of tack welds than the four studied advanced MAG-welding processes. Studied solid wire MAG-welding processes would be best suited at shipyard for mechanized welding in welding position PB. In welding positions PD and PG tubular welding wires are clearly more productive.

Welding of additively manufactured stainless steel parts: Comparative study between sheet metal and selective laser melted parts

Additive manufacturing is a fast growing manufacturing technology capable of producing complex objects without the need for conventional manufacturing process planning. During the process the work piece is built by adding material one layer at a time according to a digital 3D CAD model. At first additive manufacturing was mainly used to make prototypes but the development of the technology has made it possible to also make final products. Welding is the most common joining method for metallic materials. As the maximum part size of additive manufacturing is often limited, it may sometimes be required to join two or more additively manufactured parts together. However there has been almost no research on the welding of additively manufactured parts so far, which means that there has been very little information available on the possible differences compared to the welding of sheet metal parts. The aim of this study was to compare the weld joint properties of additively manufactured parts to those of sheet metal parts. The welding process that was used was TIG welding and the test material was 316L austenitic stainless steel. Weld joint properties were studied by making tensile, bend and hardness tests and by studying the weld microstructures with a microscope. Results show that there are certain characteristics in the welds of additively manufactured parts. The building direction of the test pieces has some impact on the mechanical properties of the weld. Nevertheless all the welds exhibited higher yield strength than the sheet metal welds but at the same time elongation at break was lower. It was concluded that TIG welding is a feasible process for welding additively manufactured parts.

A novel procedure for establishing clinching parameters for high strength steel sheet

The building industry has a particular interest in using clinching as a joining method for frame constructions of light-frame housing. Normally many clinch joints are required in joining of frames.In order to maximise the strength of the complete assembly, each clinch joint must be as sound as possible. Experimental testing is the main means of optimising a particular clinch joint. This includes shear strength testing and visual observation of joint cross-sections. The manufacturers of clinching equipment normally perform such experimental trials. Finite element analysis can also be used to optimise the tool geometry and the process parameter, X, which represents the thickness of the base of the joint. However, such procedures require dedicated software, a skilled operator, and test specimens in order to verify the finite element model. In addition, when using current technology several hours' computing time may be necessary. The objective of the study was to develop a simple calculation procedure for rapidly establishing an optimum value for the parameter X for a given tool combination. It should be possible to use the procedure on a daily basis, without stringent demands on the skill of the operator or the equipment. It is also desirable that the procedure would significantly decrease thenumber of shear strength tests required for verification. The experimental workinvolved tests in order to obtain an understanding of the behaviour of the sheets during clinching. The most notable observation concerned the stage of the process in which the upper sheet was initially bent, after which the deformation mechanism changed to shearing and elongation. The amount of deformation was measured relative to the original location of the upper sheet, and characterised as the C-measure. By understanding in detail the behaviour of the upper sheet, it waspossible to estimate a bending line function for the surface of the upper sheet. A procedure was developed, which makes it possible to estimate the process parameter X for each tool combination with a fixed die. The procedure is based on equating the volume of material on the punch side with the volume of the die. Detailed information concerning the behaviour of material on the punch side is required, assuming that the volume of die does not change during the process. The procedure was applied to shear strength testing of a sample material. The sample material was continuously hot-dip zinc-coated high-strength constructional steel,with a nominal thickness of 1.0 mm. The minimum Rp0.2 proof stress was 637 N/mm2. Such material has not yet been used extensively in light-frame housing, and little has been published on clinching of the material. The performance of the material is therefore of particular interest. Companies that use clinching on a daily basis stand to gain the greatest benefit from the procedure. By understanding the behaviour of sheets in different cases, it is possible to use data at an early stage for adjusting and optimising the process. In particular, the functionality of common tools can be increased since it is possible to characterise the complete range of existing tools. The study increases and broadens the amount ofbasic information concerning the clinching process. New approaches and points of view are presented and used for generating new knowledge.