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.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

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.

Henkilöauton korin mallintaminen virtuaalitestejä varten

Nykyään auton korien tuotekehitysprosessissa jää hyvin vähän aikaa korin rakenteiden optimointiin. Rakenteiden optimointi tehdään virtuaalitestauksen avulla siten, että yhdellä elementtimallilla tehdään erilaisia testejä ja optimoidaan useita omaisuuksia samanaikaisesti. Tässä tutkimuksessa tavoitteena on kehittää auton korin FEM-malli, jolla voidaan suorittaa mahdollisimman monta erilaista virtuaalitestiä. Rakennetun mallin toimivuutta testattiin tekemällä sille ympäriajoturvallisuustesti ja saatuja tuloksia verrattiin oikean auton testiin.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Mechanical design and analysis of modular active magnetic bearing test rig

Tässä työssä on tutkittu modulaarisen aktiivimagneettilaakeroidun koelaitteen mekaanista suunnittelua ja analysointia. Suurnopeusroottorin suunnittelun teoria on esitelty. Lisäksi monia analyyttisiä mallinnusmenetelmiä mekaanisten kuormitusten mallintamiseksi on esitelty. Koska kyseessä on suurnopeussähkökone, roottoridynamiikka ja sen soveltuvuus suunnittelussa on esitelty. Magneettilaakerien rakenteeseen ja toimintaan on tutustuttu osana tätä työtä. Kirjallisuuskatsaus nykyisistä koelaitteista esimerkiksi komponenttien ominaisuuksien tunnistamiseen ja roottoridynamiikan tutkimuksiin on esitelty. Työn rajauksena on konseptisuunnittelu muunneltavalle magneettilaakeroidulle (AMB) koelaitteelle ja suunnitteluprosessin dokumentointi. Muunneltavuuteen päädyttiin, koska se mahdollistaa erilaisten komponenttiasetteluiden testaamisen erilaisille magneettilaakerikokoonpanoille ja roottoreille. Pääpaino tässä työssä on suurnopeus induktiokoneen roottorin suunnittelussa ja mallintamisessa. Modulaaristen toimilaitteiden kuten magneettilaakerien ja induktiosähkömoottorin rakenne on esitelty ja modulaarisen rakenteen käytettävyyden hyödyistä koelaitekäytössä on dokumentoitu. Analyyttisiä ja elementtimenetelmään perustuvia tutkimusmenetelmiä on käytetty tutkittaessa suunniteltua suurnopeusroottoria. Suunnittelun ja analysoinnin tulokset on esitelty ja verrattu keskenään eri mallinnusmenetelmien välillä. Lisäksi johtopäätökset sähkömagneettisten osien liittämisen monimutkaisuudesta ja vaatimuksista roottoriin ja toimilaitteisiin sekä mekaanisten että sähkömagneettisten ominaisuuksien optimoimiseksi on dokumentoitu.

Trukkitraktorin rungon suunnittelu ja laskenta

Tässä työssä suunniteltiin lappeenrantalaisen Astex Oy:n tilauksesta liikkuvan työkoneen runkorakenne. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Suunniteltava rakenne kuului linkkuohjattuun, noin 5000 kg painoiseen trukkitraktoriin. Lähtökohtana rakenteen suunnittelulle olivat tilaajan asettamat rakenteen geometriaan ja suorituskykyyn liittyvät reunaehdot ja rajoitteet. Uuden rakenteen suunnittelussa hyödynnettiin myös tilaajatahon kehittelemää vastaavan tyyppistä prototyyppirakennetta. Rakenteen suunnitteluprosessi koostui neljästä eri vaiheesta. Suunniteltavan rakenteen lähtökohtana olleelle prototyyppirakenteelle suoritettiin koneen käytönaikaisia venymäliuskamittauksia rakenteen kuormitushistorian selvittämiseksi. Mittauksista saatujen tulosten perusteella määritettiin kuormitukset uudelle suunniteltavalle rakenteelle. Määritettyjä kuormituksia hyödyntäen ideoitiin, suunniteltiin ja mallinnettiin uusi tilaajan vaatimuksia vastaava rakenne. Uudelle rakenteelle suoritettiin lujuusanalyysit FE-analyysiä hyödyntäen. Uuden rakenteen suunnittelussa kiinnitettiin huomiota rakenteen hyvään valmistettavuuteen ja suunniteltiin rakenneratkaisut tilaajataholle mahdollisimman optimaalisiksi. Suunnittelu- ja mallinnustyö tehtiin Solidworks 2014 ohjelmistolla. Rakenteen lujuustekniset tarkastelut sisälsivät rakennedetaljien analyyttistä mitoitusta ja laskentaa. FE-laskennalla selvitettiin rakenteen ääri- ja väsymiskestävyys. Laskenta sisälsi koko rakenteen globaaleja tarkasteluja, sekä eri kriittisten rakennedetaljien yksityiskohtaisempia analyysejä. FE-laskennan pääpaino oli rakenteen väsymisanalyyseissä, jotka toteutettiin Hot-Spot- ja särönkasvumenetelmillä. Rakenteen FE-analyysien suorittamisessa käytettiin Femap, NxNastran ja Abaqus-ohjelmistoja.

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.

Pyörivän keskiökärjen rakenteen kehittäminen työstövärähtelyjen välttämiseksi sorvauksessa

Tässä diplomityössä käsitellään sorvauksen työstövärähtelyjen ja sorvin keskiökärjen rakenteen yhteyttä. Työ on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston VMAX-projektia, ja sen taustalla on pyrkimys uudenlaisen, sorvin kärkipylkän puristusvoiman ajonaikaiseen säätämiseen perustuvan työstövärähtelyjen välttämismenetelmän kehittämiseen. Tämän menetelmän toiminnan todentaminen oli työn ensimmäinen tavoite. Menetelmän toteuttaminen asettaa kuitenkin käytetyn keskiökärjen rakenteelle tiettyjä vaatimuksia. Työn toisena tavoitteena oli nämä vaatimukset täyttävän keskiökärjen prototyypin kehittäminen. Tutkimus eteni seuraavasti. Ensimmäiseksi ongelma määriteltiin tutustumalla työn teoreettiseen taustaan ja aiheeseen liittyvään tutkimukseen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta ja muualta. Myös keskiökärkiä valmistavien yritysten tuotekatalogeja tarkasteltiin. Seuraavaksi siirryttiin alustavaan suunnitteluvaiheeseen, jossa verifioitiin menetelmän toiminta ja luotiin konsepteja keskiökärjen rakenteen kehittämistä varten. Tämän alustavan vaiheen jälkeen suoritettiin suunnitteluprosessi keskiökärjen prototyypille. Lopuksi, suunnitellun prototyypin rakenteen käyttäytymistä arvioitiin tietokonemallinnuksen avulla. Lisätuloksena tutkimuksen aikana johdettiin yksinkertaistettu elementtimenetelmään perustuva laskentamalli järjestelmän ominaistaajuuksien selvittämiseksi. Laskentamallin tarkkuutta arvoitiin. Suunnitteluprosessin tuloksena saatiin kaikki menetelmän toiminnan sekä normaalin käytön asettamat vaatimukset täyttävä rakenne keskiökärjen prototyypille. Myös johdetun laskentamallin tulokset ovat varsin lähellä 3D-elementtimallinnuksen antamia tuloksia. Tutkimuksen tavoitteiden voidaan siis sanoa toteutuneen. Koska prototyyppiä ja laskentamallia ei kuitenkaan ole vielä kokeellisesti verifioitu, tämä ei ole täysin varmaa.

Keskipakoispuhaltimen siipipyörän lujuusteknisen mitoituksen kehittäminen

Tässä työssä on tutkittu prosessipuhaltimena käytettävän keskipakoispuhaltimen lujuusteknistä mitoitusta. Työn tavoitteena on ollut luoda analyyttisiä laskentakaavoja Koja Oy:n käyttöön tulevaisuuden tuotekehityksen tueksi. Tavoitteena on ollut tutkia myös siipien ja etu- ja takalevyn kiinnityshitsejä ja antaa työkaluja siipipyörän väsymismitoitukseen. Kirjallisuuskatkauksessa löytyi muutamia raportoituja tapauksia, jossa keskipakoispuhallin on vaurioitunut käytön aikana. Yhtenäisenä tekijänä kaikille tapauksille on ollut hitsausliitoksen väsyminen. Väsyttävän kuormituksen raportoiduissa tapauksissa on aiheuttanut siipipyörän värähtely. Väsyminen on alkanut siiven kiinnitysliitoksista hitsin rajaviivalta, siipipyörän ulkokehältä. Siipipyörän analysointiin on käytetty analyyttisiä laskentakaavoja ja elementtimenetelmää. Analyyttisten laskentakaavojen tuottaminen on muuten monimutkaiselle rakenteelle hyvin työlästä ja aikaa vievää. Staattisessa tarkastelussa elementtimenetelmällä siipipyörän mallintamiseen on käytetty keskipintamallia. Lisäksi laskentatiedostojen kokoa on pystytty rajaamaan syklisesti symmetrisen rakenteen ansiosta. Siipipyörän väsymistarkastelu on suoritettu tehollisen lovijännityksen menetelmällä, jossa tarkasteltavan hitsin rajaviivoille ja juureen on elementtimenetelmässä mallinnettu r=1 mm suuruinen lovi, josta jännityksen on luettu. Elementtimenetelmässä laskentaohjelmistona on käytetty Abaqus 6.14.1 -laskentaohjelmistoa. Analyyttisten laskentakaavojen kehityksessä on päästy hyvin lähelle elementtimenetelmästä saatuja vastaavia tuloksia. Analyyttisten kaavojen antamat tulokset eroavat kuitenkin sen verran virhettä, että varsinainen tarkka laskenta on syytä suorittaa ennen lopullisen konstruktion määrittämistä. Tehollisella lovijännitysmenetelmällä on saatu määritettyä rakenteen kriittisin kohta, jonka kestoikä on 36 400 sykliä. Tutkimuksen pohjalta Koja Oy on saanut hyvät edellytykset jatkaa tutkimusta lopun tuoteperheen parantamiseen.