Simuloinnin hyödyntäminen ajoneuvon kestoikäanalyysissä

Diplomityö tehtiin Patria Land & Armament Oy:n toimeksiannosta. Patria Land & Armament Oy:n tuotteisiin kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot. Tuotesuunnittelussa otetaan huomioon ajoneuvon koko elinkaari, joten väsymismitoitus ja kestoikäanalyysit ovat suunnittelun tärkeitä osa-alueita. Kestoikäanalyysit ovat perinteisesti pohjautuneet mittausten avulla määritettyyn jännityshistoriaan. Työn tavoitteena oli tutkia tietokonesimuloinnin soveltuvuutta maastoajoneuvon jännityshistorian määrittämiseen. Selvityksen perusteella muodostettiin kohdeyrityksen tarpeisiin soveltuva ja kestoikäanalyysiä helpottava simulointiympäristö. Tietokonesimuloinnin tuloksien tarkkuutta tutkittiin mittaamalla todellisen ajoneuvon käyttäytymistä. Simulointiympäristö toteutettiin analysoimalla joustavia kappaleita ADAMS dynamiikkaohjelmistolla. Kappaleiden joustavuus mallinnettiin kelluvan koordinaatiston menetelmällä ja siihen käytettiin PATRAN/NASTRAN elementtimenetelmäohjelmistoa. Simulointiympäristön toimivuus testattiin case-esimerkin avulla. Esimerkissä tutkittiin AMV:n alatukivarren rasituksia. Tuloksista havaittiin, että simuloimalla on mahdollista tuottaa maastoajoneuvon rakenteiden jännityshistoria. Eri parametrien tutkiminen onnistuu vaivattomasti, mutta simuloimalla määritetyn kestoiän absoluuttisiin arvoihin tulee suhtautua varauksella.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

The Influence of Certain Processing Factors on the Durability of Yttrium Stabilized Zirconia Used As Dental Biomaterial

In dentistry, yttrium partially stabilized zirconia (ZrO2) has become one of the most attractive ceramic materials for prosthetic applications. The aim of this series of studies was to evaluate whether certain treatments used in the manufacturing process, such as sintering time, color shading or heat treatment of zirconia affect the material properties. Another aim was to evaluate the load-bearing capacity and marginal fit of manually copy-milled custom-made versus prefabricated commercially available zirconia implant abutments. Mechanical properties such as flexural strength and surface microhardness were determined for green-stage milled and sintered yttrium partially stabilized zirconia after different sintering time, coloring process and heat treatments. Scanning electron microscope (SEM) was used for analyzing the possible changes in surface structure of zirconia material after reduced sintering time, coloring and heat treatments. Possible phase change from the tetragonal to the monoclinic phase was evaluated by X-ray diffraction analysis (XRD). The load-bearing capacity of different implant abutments was measured and the fit between abutment and implant replica was examined with SEM. The results of these studies showed that the shorter sintering time or the thermocycling did not affect the strength or surface microhardness of zirconia. Coloring of zirconia decreased strength compared to un-colored control zirconia, and some of the colored zirconia specimens also showed a decrease in surface microhardness. Coloring also affected the dimensions of zirconia. Significantly decreased shrinkage was found for colored zirconia specimens during sintering. Heat treatment of zirconia did not seem to affect materials’ mechanical properties but when a thin coating of wash and glaze porcelain was fired on the tensile side of the disc the flexural strength decreased significantly. Furthermore, it was found that thermocycling increased the monoclinic phase on the surface of the zirconia. Color shading or heat treatment did not seem to affect phase transformation but small monoclinic peaks were detected on the surface of the heat treated specimens with a thin coating of wash and glaze porcelain on the opposite side. Custom-made zirconia abutments showed comparable load-bearing capacity to the prefabricated commercially available zirconia abutments. However, the fit of the custom-made abutments was less satisfactory than that of the commercially available abutments. These studies suggest that zirconia is a durable material and other treatments than color shading used in the manufacturing process of zirconia bulk material does not affect the material’s strength. The decrease in strength and dimensional changes after color shading needs to be taken into account when fabricating zirconia substructures for fixed dental prostheses. Manually copy-milled custom-made abutments have acceptable load-bearing capacity but the marginal accuracy has to be evaluated carefully.