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.

Johdinhäviöiden määrittäminen mikroliuskarakenteessa

Tässä diplomityössä on käsitelty mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden määrittämistä kokeellisin ja analyyttisin menetelmin. Työssä on käyty läpi mikroliuskarakenteen ominaisuudet sekä esitetty tärkeimmät kirjallisuudessa esitellyt menetelmät johdinhäviöiden laskemiseksi. Mikroliuskarakenteen häviöitä mallinnettiin modernilla momenttimenetelmään perustuvalla kenttälaskentasimulaattorilla. Simulaattorin toimintaperiaate on esitelty ja sen soveltaminen mikroliuskarakenteen simuloimiseen on käyty läpi. Eräs mikroliuskarakenne mallinnettiin taajuusalueella 1-10 GHz ja simuloituja johdinhäviöitä verrattiin analyyttisesti määritettyihin. Mikroliuskarakenteen vaste mitattiin ja sitä verrattiin mallinnetun mikroliuskarakenteen vasteeseen. Tulosten perusteella on pohdittu simulaattorin soveltuvuutta mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden mallintamiseen. Mikroliuskarakenteen johdinhäviöiden määrittämiseen mittausten avulla on esitetty ideoita jatkotutkimusta varten.

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.

Case: Kitaravahvistimen AB-luokan tehovahvistimen päivittäminen D-luokkaan

D-luokan vahvistimien etu perinteisiin A- tai AB-luokan vahvistimiin nähden on niitten korkea hyötysuhde ja pieni koko. Lisäksi ne ovat edullisia ja niihin voidaan asentaa pienemmät jäähdytyslevyt kuin perinteisiin vahvistimiin korkean hyötysuhteen ansiosta. Tässä tutkimuksessa asennetaan Peavey Solo –kitaravahvistimen pääteasteena toimivan AB-luokan päätevahvistimen tilalle tehokkaampi ja uudempaa vahvistinluokkaa edustava D-luokan vahvistin. Tutkimuksessa selvitetään, miten D-luokan vahvistimella toteutettu kytkentä toimii verrattuna alkuperäiseen kytkentään tutkimalla kitaravahvistimelle tyypillisiä sähköisiä ominaisuuksia. Työ toteutetaan mittauksin. Koska työssä olevissa kytkennöissä on jännitteisiä osia, on siinä perehdyttävä sähköturvallisuuteen. D-luokan vahvistin asettaa tietyt sähkötekniset kestävyysvaatimukset kytkennän teholähteelle ja kaiutinelementille, jolloin työssä paneudutaan myös niiden valintaan. D-luokan vahvistimeen päivitetyn kytkennän tuottamat äänenpainetasot olivat valtaosassa mittauksia suuremmat kuin alkuperäisellä kytkennällä. Äänenpainetasojen mittaustilanteissa myös kuormalle syötetyt tehot olivat suuremmat päivitetyllä kytkennällä verrattuna alkuperäiseen. Suurin päivitetyn kytkennän kuorman teho 72,72 W saavutettiin, kun kaiutinelementin yli oli 24,12 V:n jännitteen tehollisarvo ja kuorman teho oli noin 36 kertaa suurempi kuin alkuperäisellä kytkennällä. D-luokan vahvistimen mitatut harmonisen särön arvot ovat huomattavasti pienempiä kuin alkuperäisellä vahvistimella. Muokkaamattoman vahvistimen mitatusta sähköisestä taajuusvasteeesta nähdään, että alkuperäinen vahvistin korostaa tiettyjä taajuuksia, kun D-luokan vahvistimen taajuusvaste on sen sijaan likimain tasainen. Akustinen taajuusvaste ei ole niin tasainen D-luokan vahvistimeen päivitetyllä kytkennällä kuin alkuperäisellä kytkennällä ja sillä on myös kapeampi taajuusalue. Jos päivitetyn kytkennän sointia haluttaisiin parantaa, pitäisi tutkia lisää akustiseen taajuusvasteeseen vaikuttavia asioita.

Tuning the design procedures for laser processed microwave mechanics

This research has been focused at the development of a tuned systematic design methodology, which gives the best performance in a computer aided environment and utilises a cross-technological approach, specially tested with and for laser processed microwave mechanics. A tuned design process scheme is also presented. Because of the currently large production volumes of microwave and radio frequency mechanics even slight improvements of design methodologies or manufacturing technologies would give reasonable possibilities for cost reduction. The typical number of required iteration cycles could be reduced to one fifth of normal. The research area dealing with the methodologies is divided firstly into a function-oriented, a performance-oriented or a manufacturability-oriented product design. Alternatively various approaches can be developed for a customer-oriented, a quality-oriented, a cost-oriented or an organisation-oriented design. However, the real need for improvements is between these two extremes. This means that the effective methodology for the designers should not be too limited (like in the performance-oriented design) or too general (like in the organisation-oriented design), but it should, include the context of the design environment. This is the area where the current research is focused. To test the developed tuned design methodology for laser processing (TDMLP) and the tuned optimising algorithm for laser processing (TOLP), seven different industrial product applications for microwave mechanics have been designed, CAD-modelled and manufactured by using laser in small production series. To verify that the performance of these products meets the required level and to ensure the objectiveness ofthe results extensive laboratory tests were used for all designed prototypes. As an example a Ku-band horn antenna can be laser processed from steel in 2 minutes at the same time obtaining a comparable electrical performance of classical aluminium units or the residual resistance of a laser joint in steel could be limited to 72 milliohmia.

Tunable lumped-element bandpass filters for Cognitive Radio application

In this thesis the design of bandpass filters tunable at 400 MHz – 800 MHz was under research. Microwave filters are vital components which provide frequency selectivity in wide variety of electronic systems operating at high frequencies. Due to the occurrence of multi-frequency bands communication and diverse applications of wireless devices, requirement of tunable filters exists. The one of potential implementation of frequency-agile filters is frontends and spectrum sensors in Cognitive Radio (CR). The principle of CR is to detect and operate at a particular available spectrum without interfering with the primary user’s signals. This new method allows improving the efficiency of utilizing allocated spectrum such as TV band (400 MHz – 800 MHz). The focus of this work is development of sufficiently compact, low cost tunable filters with quite narrow bandwidth using currently available lumped-element components and PCB board technology. Filter design, different topologies and methods of tuning of bandpass filters are considered in this work. As a result, three types of topologies of bandpass filter were simulated and realised. They use digitally tunable capacitors (DTCs) for adjusting central frequency at TV "white space" spectrum. Measurements revealed that schematics presented in this work have proper output response and filters are successfully tuned by DTCs.