Numerical simulation of two-chamber plasma sources using finite element method

Numerical simulation of plasma sources is very important. Such models allows to vary different plasma parameters with high degree of accuracy. Moreover, they allow to conduct measurements not disturbing system balance.Recently, the scientific and practical interest increased in so-called two-chamber plasma sources. In one of them (small or discharge chamber) an external power source is embedded. In that chamber plasma forms. In another (large or diffusion chamber) plasma exists due to the transport of particles and energy through the boundary between chambers.In this particular work two-chamber plasma sources with argon and oxygen as active mediums were onstructed. This models give interesting results in electric field profiles and, as a consequence, in density profiles of charged particles.

Simulation and material calibration of ultra high strength steel (UHSS) S960 welded joint under static tensile test utilizing finite element method (FEM)

The aim of this work was to calibrate the material properties including strength and strain values for different material zones of ultra-high strength steel (UHSS) welded joints under monotonic static loading. The UHSS is heat sensitive and softens by heat due to welding, the affected zone is heat affected zone (HAZ). In this regard, cylindrical specimens were cut out from welded joints of Strenx® 960 MC and Strenx® Tube 960 MH, were examined by tensile test. The hardness values of specimens’ cross section were measured. Using correlations between hardness and strength, initial material properties were obtained. The same size specimen with different zones of material same as real specimen were created and defined in finite element method (FEM) software with commercial brand Abaqus 6.14-1. The loading and boundary conditions were defined considering tensile test values. Using initial material properties made of hardness-strength correlations (true stress-strain values) as Abaqus main input, FEM is utilized to simulate the tensile test process. By comparing FEM Abaqus results with measured results of tensile test, initial material properties will be revised and reused as software input to be fully calibrated in such a way that FEM results and tensile test results deviate minimum. Two type of different S960 were used including 960 MC plates, and structural hollow section 960 MH X-joint. The joint is welded by BöhlerTM X96 filler material. In welded joints, typically the following zones appear: Weld (WEL), Heat affected zone (HAZ) coarse grained (HCG) and fine grained (HFG), annealed zone, and base material (BaM). Results showed that: The HAZ zone is softened due to heat input while welding. For all the specimens, the softened zone’s strength is decreased and makes it a weakest zone where fracture happens while loading. Stress concentration of a notched specimen can represent the properties of notched zone. The load-displacement diagram from FEM modeling matches with the experiments by the calibrated material properties by compromising two correlations of hardness and strength.

Development of beam and plate finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation

The focus of this dissertation is to develop finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation. The absolute nodal coordinate formulation is a nonlinear finite element formulation, which is introduced for special requirements in the field of flexible multibody dynamics. In this formulation, a special definition for the rotation of elements is employed to ensure the formulation will not suffer from singularities due to large rotations. The absolute nodal coordinate formulation can be used for analyzing the dynamics of beam, plate and shell type structures. The improvements of the formulation are mainly concentrated towards the description of transverse shear deformation. Additionally, the formulation is verified by using conventional iso-parametric solid finite element and geometrically exact beam theory. Previous claims about especially high eigenfrequencies are studied by introducing beam elements based on the absolute nodal coordinate formulation in the framework of the large rotation vector approach. Additionally, the same high eigenfrequency problem is studied by using constraints for transverse deformation. It was determined that the improvements for shear deformation in the transverse direction lead to clear improvements in computational efficiency. This was especially true when comparative stress must be defined, for example when using elasto-plastic material. Furthermore, the developed plate element can be used to avoid certain numerical problems, such as shear and curvature lockings. In addition, it was shown that when compared to conventional solid elements, or elements based on nonlinear beam theory, elements based on the absolute nodal coordinate formulation do not lead to an especially stiff system for the equations of motion.

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.

Avaruusinstrumentin mekaniikkasuunnittelu

Tämän insinöörityön tarkoituksena on kehittää avaruusinstrumentti, joka on osa Euroopan avaruusjärjestön ESA:n ja Japanin avaruusjärjestön JAXA:n BepiColombo-yhteistyöhanketta. Satelliitti lähetetään Merkurius-planeetan kiertoradalle vuonna 2013. Avaruusaluksen matka Merkuriukseen kestää yhteensä kuusi vuotta ja on perillä vuonna 2019. Yksi BepiColombo-satelliitin tieteellisistä instrumenteista on Oxford Instruments Analytical Oy:n kehittämä SIXS-instrumentti (Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer). Instrumentin tarkoituksena on mitata auringosta tulevaa röntgen- ja partikkelisäteilyä. Se toimii yhteistyössä Merkuriuksen pintaa mittaavan MIXS-instrumentin (Mercury Imaging X-ray Spectrometer) kanssa. Tuloksista pystytään analysoimaan ne alkuaineet, joista Merkuriuksen pinta koostuu. Työn alussa esitellään teoriataustaa alkuaineiden mittauksesta niiltä osin, kuin se tämän työn kannalta on tarpeellista. Työssä syvennytään tarkemmin auringosta tulevan säteilyn mittauksesta vastaavan instrumentin tekniikkaan ja mekaniikkasuunnitteluun. Instrumentin lämpöteknisestä suunnittelusta, värähtelymittauksista ja lujuusanalyysista on työhön sisällytetty pääasiat. Työn tuloksena on kehitetty instrumenttiin tulevan partikkelidetektorin prototyyppi sekä instrumenttikotelon malli. Lopullisen koon instrumenttikotelolle määrittää vaadittavan elektroniikan viemä tila. Mittalaitteen kehitystyö jatkuu Oxford Instruments Analytical Oy:ssä vuoteen 2011 saakka.

Analysis of Industrial Granular Flow Applications by Using Advanced Collision Models

Granular flow phenomena are frequently encountered in the design of process and industrial plants in the traditional fields of the chemical, nuclear and oil industries as well as in other activities such as food and materials handling. Multi-phase flow is one important branch of the granular flow. Granular materials have unusual kinds of behavior compared to normal materials, either solids or fluids. Although some of the characteristics are still not well-known yet, one thing is confirmed: the particle-particle interaction plays a key role in the dynamics of granular materials, especially for dense granular materials. At the beginning of this thesis, detailed illustration of developing two models for describing the interaction based on the results of finite-element simulation, dimension analysis and numerical simulation is presented. The first model is used to describing the normal collision of viscoelastic particles. Based on some existent models, more parameters are added to this model, which make the model predict the experimental results more accurately. The second model is used for oblique collision, which include the effects from tangential velocity, angular velocity and surface friction based on Coulomb's law. The theoretical predictions of this model are in agreement with those by finite-element simulation. I n the latter chapters of this thesis, the models are used to predict industrial granular flow and the agreement between the simulations and experiments also shows the validation of the new model. The first case presents the simulation of granular flow passing over a circular obstacle. The simulations successfully predict the existence of a parabolic steady layer and show how the characteristics of the particles, such as coefficients of restitution and surface friction affect the separation results. The second case is a spinning container filled with granular material. Employing the previous models, the simulation could also reproduce experimentally observed phenomena, such as a depression in the center of a high frequency rotation. The third application is about gas-solid mixed flow in a vertically vibrated device. Gas phase motion is added to coherence with the particle motion. The governing equations of the gas phase are solved by using the Large eddy simulation (LES) and particle motion is predicted by using the Lagrangian method. The simulation predicted some pattern formation reported by experiment.

Effective notch method assessment of misalignment for fatigue loaded welds

 The objective of this thesis work was to assess axial misalignment in fatigue loaded welds using the effective notch method. As a result, the fatigue behaviour of non-load carrying cruciform fillet welded joint under cyclic tensile loading has been studied. Various degrees of axial misalignment have been found in one series of non-load carrying cruciform fillet welded joints used in a laboratory investigation. As a result, it was important to carry out a comprehensive investigation since axial misalignment forms part of thequality of fatigue loaded structure and can reduce the fatigue strength. To extend the study, the correlation between fatigue strength and stress ratio, as well as stress concentration factor, were also studied. Moreover, a closer investigation of place of crack initiation and its dependence on weld sequence and imperfections of test specimen (angular distortion) was studied. For the fatigue class calculations, FEM (finite element method) and the effectivenotch approach are used. The addressed variable is the axial misalignment whichis introduce by modeling the entire joint. Fracture mechanics based calculations are also used and quantitatively compared with effective notch and experimental results.

The influence ofvariable amplitude loading on the fatigue strength of rhs corners

Rectangular hollow section (RHS) members are components widely used in engineering applications because of their good-looking, good properties in engineering areas and inexpensive cost comparing to members with other sections. The increasing use of RHS in load bearing structures makes it necessary to analyze the fatigue behavior of the RHS members. In this thesis, concentration will be given to the fatigue behavior of the RHS members under variable amplitude pure torsional loading. For the RHS members, failure will normally occur in the corner region if the welded regions are under full penetration. This is because of the complicated stress components' distributions at the RHScorners, where all of three fracture mechanics modes will happen. Mode I is mainly caused by the residual stresses that caused by the manufacturing process. Modes II and III are caused by the applied torsional loading. Stress based Findleymodel is also used to analyze the stress components. Constant amplitude fatigue tests have been done as well as variable amplitude fatigue tests. The specimens under variable amplitude loading gave longer fatigue lives than those under constant amplitude loading. Results from tests show an S-N curvewith slope around 5.

Fatigue Analysis of Welded Cruciform Joints with Cold Laps

Työssä on tutkittu vetojännityskuormituksen alaisena olevien hitsattujen kuormaa kantamattomien X-liitosten hitsin paikallisen geometrian variaation vaikutusta väsymislujuuteen. Muuttujina olivat reunan pyöristyssäde, kylmäjuoksun suuruus ja kylkikulma. Geometristen muuttujien parametrinen riippuvuussuhde on analysoitu usealla elementtimallilla. Väsymistarkastelu on suoritettu käyttämällä lineaaris-elastista murtumismekaniikkaa (LEFM) tasovenymätilassa ja materiaalina terästä. Särönkasvun suunnan ennustamisessaon käytetty maksimipääjännityskriteeriä sekä jännitysintensiteettikertoimet on määritetty J-integraalilla. Särön ydintymisvaihetta ei ole otettu huomioon. Rakenteen on oletettu olevan hitsatussa tilassa ja jännitysheilahdus on kokonaan tehollinen. Särön kasvunopeuden ennustamiseen on käytetty Paris'n lakia. Väsymislujuustulokset on esitetty karakteristisina väsymisluokkina (FAT) ja sovitettu parametriseksi yhtälöksi. Lopuksi väsymisanalyysin ennustamia tuloksia on verrattu saatavilla oleviin väsytystestituloksiin.

Napakäämityn murtovakokestomagneettitahtikoneen suunnittelu

Diplomityössä tutustutaan napakäämittyihin murtovakokestomagneettitahtikoneisiin sekä syvennytään niiden suunnitteluun analyyttisen laskennanavulla. Analyyttisen laskennan haasteena on perinteisesti käytettyjen kestomagneettitahtikoneiden laskentayhtälöiden sovittaminen murtovakokäämityille kestomagneettitahtikoneille. Työn lopussa analyyttisen laskennan tuloksia verrataan kenttälaskentaohjelmalla saatuihin tuloksiin. Tärkeimmät analyyttiset yhtälöt sekä laskentamallin rakenne on esitetty työssä.

Rakenteellisen jouston kuvaus reaaliaikasimuloinnissa

Työn tavoitteena oli tuottaa rakenteellisen jouston huomioiva monikappaledynmiikan simulointiohjelma Matlab-ympäristöön. Rakenteellinen jousto huomioitiin kelluvan koordinaatiston menetelmällä ja joustavuutta kuvaavat muodot ratkaistiin elementtimenetelmällä. Tehdyn ohjelman avulla voidaan koostaa joustavista kappaleista koostuvia avaruusmekanismeja ja tutkia niiden dynaamista käyttäytymistä. Simulointitulosta verrattiin kaupallisen ohjelmiston tuottamaan tulokseen. Työssä havaittiin, että kelluvan koordinaatiston menetelmä on käyttökelpoinen reaaliaikaiseen simulointiin. Työssä toteutetun ohjelman tulokset vastasivat kaupallisen simulointiohjelman tuloksia.

Siltanosturin teräsrakenteen suunnittelun avuksi luodun ohjelman jatkokehitys

Diplomityössä tehdään jatkokehitystä KCI Konecranes yrityksen siltanosturin laskentaohjelmaan. Ohjelman tärkeimmät jatkokehityskohteet kartoitettiin käyttäjäkyselyn avulla ja niistä valittiin toivotuimmat, sekä diplomityön lujuusopilliseen aihepiiriin parhaiten soveltuvat. Työhön valitut kaksi aihetta ovat koteloprofiilin kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan selvittäminen ja siltanosturin kahdeksanpyöräisenpäätykannattajan elementtimallin suunnittelu. Diplomityössä selvitetään jatkokehityskohteisiin liittyvä teoria, mutta varsinainen ohjelmointi jätetään työn ulkopuolelle. Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti. Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta.

Deep-hole drilling process, monitoring system and sensors modifications

 In the drilling processes and especially deep-hole drilling process, the monitoring system and having control on mechanical parameters (e.g. Force, Torque,Vibration and Acoustic emission) are essential. The main focus of this thesis work is to study the characteristics of deep-hole drilling process, and optimize the monitoring system for controlling the process. The vibration is considered as a major defect area of the deep-hole drilling process which often leads to breakage of the drill, therefore by vibration analysis and optimizing the workpiecefixture, this area is studied by finite element method and the suggestions are explained. By study on a present monitoring system, and searching on the new sensor products, the modifications and recommendations are suggested for optimize the present monitoring system for excellent performance in deep-hole drilling process research and measurements.

Terässiilojen mitoitusohjelman kehittäminen

Siiloja käytetään jauhemaisten ja rakeisten aineiden varastointiin ja annosteluun maataloudessa sekä mm. lasi-, laasti- ja tasoiteteollisuudessa. Tällaiset laitokset toimitetaan usein kokonaistoimituksina, joissa tavanomaisten teräsrakenteiden kustannusvaikutus voi olla jopa 30 % koko toimituksen arvosta. Niinpä osaltaan siilojen tehokkaalla mitoituksella ja erilaisiarakenneratkaisuja vertailemalla voidaan alentaa toimitusten kokonaiskustannuksia. Tässä diplomityössä perehdyttiin siilojen rakenteisiin ja niiden lujuustekniseen mitoitukseen etenkin tuentaratkaisujen osalta. Mitoituksen osalta työssä perehdyttiin pääasiassa uusiin Eurooppalaisiin standardeihin SFS-EN 1991-4 ja SFS-EN 1993-4-1. Niiden mukaan määritetään mitoituskuormat sekä tehdään lujuustekninen mitoitus. Työn tuloksena laadittiin Microsoft Excel -pohjainen mitoitusohjelma, jolla voidaan nopeasti mitoittaa siilojen olennaisimmat teräsrakenteet. Ohjelmalla voidaan määrittää mitoitus koskien siilon lieriön ja kartion seinämiä sekä tuentaratkaisuja. Ohjelma nopeuttaa erityisesti tarjousvaiheen suunnittelua ja antaa pohjan varsinaiselle siilojen yksityiskohtaiselle mitoittamiselle ja suunnittelulle.