Dynamic analysis of belt-drives using the absolute nodal coordinate formulation

Belt-drive systems have been and still are the most commonly used power transmission form in various applications of different scale and use. The peculiar features of the dynamics of the belt-drives include highly nonlinear deformation,large rigid body motion, a dynamical contact through a dry friction interface between the belt and pulleys with sticking and slipping zones, cyclic tension of the belt during the operation and creeping of the belt against the pulleys. The life of the belt-drive is critically related on these features, and therefore, amodel which can be used to study the correlations between the initial values and the responses of the belt-drives is a valuable source of information for the development process of the belt-drives. Traditionally, the finite element models of the belt-drives consist of a large number of elements thatmay lead to computational inefficiency. In this research, the beneficial features of the absolute nodal coordinate formulation are utilized in the modeling of the belt-drives in order to fulfill the following requirements for the successful and efficient analysis of the belt-drive systems: the exact modeling of the rigid body inertia during an arbitrary rigid body motion, the consideration of theeffect of the shear deformation, the exact description of the highly nonlinear deformations and a simple and realistic description of the contact. The use of distributed contact forces and high order beam and plate elements based on the absolute nodal coordinate formulation are applied to the modeling of the belt-drives in two- and three-dimensional cases. According to the numerical results, a realistic behavior of the belt-drives can be obtained with a significantly smaller number of elements and degrees of freedom in comparison to the previously published finite element models of belt-drives. The results of theexamples demonstrate the functionality and suitability of the absolute nodal coordinate formulation for the computationally efficient and realistic modeling ofbelt-drives. This study also introduces an approach to avoid the problems related to the use of the continuum mechanics approach in the definition of elastic forces on the absolute nodal coordinate formulation. This approach is applied to a new computationally efficient two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation. The proposed beam element uses a linear displacement field neglecting higher-order terms and a reduced number of nodal coordinates, which leads to fewer degrees of freedom in a finite element.

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.

Forecasting financial weather - can we foresee market sentiment? Quantitative analysis of nodal prices in the New Zealand Electricity Spot Market

Time series of hourly electricity spot prices have peculiar properties. Electricity is by its nature difficult to store and has to be available on demand. There are many reasons for wanting to understand correlations in price movements, e.g. risk management purposes. The entire analysis carried out in this thesis has been applied to the New Zealand nodal electricity prices: offer prices (from 29 May 2002 to 31 March 2009) and final prices (from 1 January 1999 to 31 March 2009). In this paper, such natural factors as location of the node and generation type in the node that effects the correlation between nodal prices have been reviewed. It was noticed that the geographical factor affects the correlation between nodes more than others. Therefore, the visualisation of correlated nodes was done. However, for the offer prices the clear separation of correlated and not correlated nodes was not obtained. Finally, it was concluded that location factor most strongly affects correlation of electricity nodal prices; problems in visualisation probably associated with power losses when the power is transmitted over long distance.

Hakkuiden tarve ja toteutuminen yksityismetsien kunnostusojitusalueilla Satakunnassa

Summary: The need for and realization of cuttings in connection with ditch network maintenance in private forests in Satakunta, southwest Finland

Impacts of different thinning regimes in the yield of uneven-structured Scots pine stands on drained peatland

Abstract

CO2-laserin soveltaminen WFU-paperin reunan leikkaamiseen

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää CO2-laserin soveltuvuutta paperin reunan leikkaamiseen ennen liimapuristinta nopealle modernilleWFU-paperikoneelle. Merkittävimmät leikkauskokeet tehtiin leikkaamalla paperirataa todenmukaisissa olosuhteissa koekoneella. Koeleikkauksissa tutkittiin myös päällystettyjen paperilajien CO2-laserleikkausta. Paperin reunan koeleikkauksia suoritettiin leikkauspöytää vasten sekä telaa vasten. Leikkauspöytänä käytettiin korkeapainevesileikkaimelle suunniteltua leikkauspöytää, jota paranneltiin tämän työn yhteydessä paremmin laserleikkaukselle sopivaksi. Telaa vasten suoritetuilla leikkauksilla lasertehon tarve oli suurempi verrattuna pöytää vasten leikkaukseen samalla leikkausnopeudella ja samalla paperilajilla. Laserlaitteiston mitoittaminen oikein pelkkien arkkileikkauskokeiden perusteella ei ollut mahdollista. Myös rullilla tapahtuvia leikkauskokeita tarvittiin. Pöytää vasten tapahtuvaan leikkaamiseen tarvitaan 1000 W laserlaite paperin molemmille reunoille. Tämän tehoiset laserlaitteet riittävät kaikille Changshun PK 1:n paperilajeille niiden lajikohtaiseen maksimiajonopeuteen. Testatuista kolmesta polttovälistä antoi 5" polttoväli parhaat leikkaustulokset. Polttopisteen paikka voi vaihdella ± 0.75 mm paperin pinnasta vaikuttamatta silti merkittävästi lasertehon tarpeeseen. Laserleikatun paperin reuna oli hyvälaatuinen, eikä laserleikkaus aiheuttanut paperille epätoivottuja asioita kuten mustumista.

Luoteis-Venäjän metsävaratja niiden hyödyntämismahdollisuudet

Tuontipuulla onsuuri merkitys suomalaiselle metsäteollisuudelle. Tämän tutkimuksen tavoitteitaovat Suomen metsäteollisuuden puuntuonnin tärkeimmän alueen, Luoteis-Venäjän metsävarojen kartoittaminen ja niiden hyödyntämismahdollisuuksien arviointi. Työssä käsitellään myös lyhyesti suoria ulkomaisia investointeja Luoteis-Venäjän metsäsektorille. Luoteis-Venäjällä on suuremmat metsävarat kuin muulla Euroopalla yhteensä. Koko maailmassa on vain 5 valtiota, jolla olisi suuremmat metsävarat kuin sillä. Eniten metsiä Luoteis-Venäjällä on Komin tasavallassa ja Arkangelin alueella. Kuusi ja mänty ovat yleisimmät puulajit. Hyvien iikenneyhteyksien varsilta metsät on hakattu ja jätetty uudistamatta, minkä seurauksena koivu ja haapa ovat vallanneet alaa havupuilta. Niinpä alueen metsäteollisuus, etenkin sahateollisuus kärsii puupulasta. Suomen metsäteollisuus on sen sijaan hyötynyt siitä, että koivukuitupuuta on runsaasti saatavilla. Metsävarojen hyödyntämisen suurimmatesteet ovat harva ja huonokuntoinen metsätieverkosto sekä metsien riittämätön hoito. Venäläisestä näkökulmasta alueen metsävarat ovat vajaakäytössä: vuotuiset hakkuut ovat alle puolet kasvusta, suuri osa puusta viedään raakapuuna ulkomaille, ja alueen metsäteollisuuden tuotteiden jalostusarvo jää alhaiseksi. Suoria ulkomaisia investointeja Luoteis-Venäjän metsäsektorille houkuttelevat suuret puuvarat, halpa energia ja tulevaisuudessa etenkin kasvavat markkinat. Investointejahaittaavat huono infrastruktuuri, korruptio ja epävarmuus maan kehityksestä.

A computationally efficient shear deformable beam element for large deformation multibody applications

In this paper, a new two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation is proposed. The nonlinear elastic forces of the beam element are obtained using a continuum mechanics approach without employing a local element coordinate system. In this study, linear polynomials are used to interpolate both the transverse and longitudinal components of the displacement. This is different from other absolute nodal-coordinate-based beam elements where cubic polynomials are used in the longitudinal direction. The accompanying defects of the phenomenon known as shear locking are avoided through the adoption of selective integration within the numerical integration method. The proposed element is verified using several numerical examples, and the results are compared to analytical solutions and the results for an existing shear deformable beam element. It is shown that by using the proposed element, accurate linear and nonlinear static deformations, as well as realistic dynamic behavior, can be achieved with a smaller computational effort than by using existing shear deformable two-dimensional beam elements.

Dynamic Model of a Small Once-Through Boiler

In this study, a model for the unsteady dynamic behaviour of a once-through counter flow boiler that uses an organic working fluid is presented. The boiler is a compact waste-heat boiler without a furnace and it has a preheater, a vaporiser and a superheater. The relative lengths of the boiler parts vary with the operating conditions since they are all parts of a single tube. The present research is a part of a study on the unsteady dynamics of an organic Rankine cycle power plant and it will be a part of a dynamic process model. The boiler model is presented using a selected example case that uses toluene as the process fluid and flue gas from natural gas combustion as the heat source. The dynamic behaviour of the boiler means transition from the steady initial state towards another steady state that corresponds to the changed process conditions. The solution method chosen was to find such a pressure of the process fluid that the mass of the process fluid in the boiler equals the mass calculated using the mass flows into and out of the boiler during a time step, using the finite difference method. A special method of fast calculation of the thermal properties has been used, because most of the calculation time is spent in calculating the fluid properties. The boiler was divided into elements. The values of the thermodynamic properties and mass flows were calculated in the nodes that connect the elements. Dynamic behaviour was limited to the process fluid and tube wall, and the heat source was regarded as to be steady. The elements that connect the preheater to thevaporiser and the vaporiser to the superheater were treated in a special way that takes into account a flexible change from one part to the other. The model consists of the calculation of the steady state initial distribution of the variables in the nodes, and the calculation of these nodal values in a dynamic state. The initial state of the boiler was received from a steady process model that isnot a part of the boiler model. The known boundary values that may vary during the dynamic calculation were the inlet temperature and mass flow rates of both the heat source and the process fluid. A brief examination of the oscillation around a steady state, the so-called Ledinegg instability, was done. This examination showed that the pressure drop in the boiler is a third degree polynomial of the mass flow rate, and the stability criterion is a second degree polynomial of the enthalpy change in the preheater. The numerical examination showed that oscillations did not exist in the example case. The dynamic boiler model was analysed for linear and step changes of the entering fluid temperatures and flow rates.The problem for verifying the correctness of the achieved results was that there was no possibility o compare them with measurements. This is why the only way was to determine whether the obtained results were intuitively reasonable and the results changed logically when the boundary conditions were changed. The numerical stability was checked in a test run in which there was no change in input values. The differences compared with the initial values were so small that the effects of numerical oscillations were negligible. The heat source side tests showed that the model gives results that are logical in the directions of the changes, and the order of magnitude of the timescale of changes is also as expected. The results of the tests on the process fluid side showed that the model gives reasonable results both on the temperature changes that cause small alterations in the process state and on mass flow rate changes causing very great alterations. The test runs showed that the dynamic model has no problems in calculating cases in which temperature of the entering heat source suddenly goes below that of the tube wall or the process fluid.

Ilmakuivaimen konstruktion modernisointi valmistustekniikan näkökul-masta

Diplomityössä tutkittiin päällystetyn paperin kuivatukseen käytettävän ilmakuivaimen rakennetta ja kustannuksia. Selvitysten perusteella modernisoinnin kohteeksi valittiin kuivaimen runko ja kääntöosa. Niiden modernisoinnissa huomioitiin nykyaikaisten valmistusmenetelmien mukanaan tuomia etuja ja mahdollisuuksia. Työn perusteella ehdotetaan nykyisen putkipalkkirakenteen korvaamista levyrakenteisella konstruktiolla. Tämä edellyttää särmäyksen tarkkaa hallintaa sekä laserleikkauksen hyväksikäyttöä levyosien valmistuksessa. Laser-leikkauksella vähennetään lisäksi leikkauksen jälkeisiä työvaiheita sekä mahdollistetaan osien vapaampi muotoilu. Uuden konstruktion myötä osien, nimikkeiden, hitsimetrien ja kustannusten määrät vähenevät sekä tuotantoketju ja kokoonpano yksinkertaistuvat. Lisäksi levyrakenteen ansiosta teollinen muotoilu kyetään ottamaan entistä paremmin huomioon tuotteen suunnittelussa. Jatkotoimenpiteenä levykonstruktiota kehitetään sekä sen mahdollisuuksia analysoidaan eri menetelmillä.

Absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmä kuorimaisten kappaleiden mallinnuksessa

Työn tavoitteena oli kehittää nopeasti konvergoiva kuorielementti epälineaarisesti joustavien kappaleiden analysointiin. Kuorielementti perustuu absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmään ja se hyödyntää kaarevuuden kuvausta elastisten voimien määrityksessä. Kehitettyä elementtiä verrattiin kontinuumimekaniikalla kehitettyyn kuorielementtiin ja kaupallisen elementtimenetelmän kuorielementtiin. Yksinkertaisimman kuormitustapauksen tuloksia verrattiin teknisen taivutusteorian mukaiseen analyyttiseen ratkaisuun. Staattisten testien tulokset tässä työssä kehitetyllä kuorielementillä vastasivat hyvin kaupallisella elementtimenetelmällä saatuja tuloksia. Deformaatioiden ollessa geometrisesti lineaarisella alueella, kehitetyllä kuorielementillä saadut tulokset vastasivat paremmin sekä analyyttistä ratkaisua että kaupallisella elementtimenetelmällä saatuja tuloksia kuin aiemman kontinuumimekaniikkaan perustuvan kuorielementin tulokset. Kehitetyn kuorielementin ongelmana verrattuna kontinuumimekaniikkaan perustuvaan elementtiin on monimutkaisempi kinematiikan kuvaus. Tästä on seurauksena laskenta-ajan huomattava kasvaminen. Jatkossa kannattaisi keskittyä numeeristen ratkaisumenetelmien kehittämiseen.

Kuluja vai katetta ? Konstruktiivinen tutkielma tavaratoimittajan lisäarvon arvioinnista ja mittaamisesta. Case: Suomalainen Kirjakauppa Oy

Tavaratoimittajien valintamenettely ja heidän toimintansa seuraaminen, arvioiminen ja mittaaminen on viime vuosina kasvanut nopeasti. Mutta moniko yritys tietää omien tavaratoimittajien tuottaman lisäarvon ? Ja miten tavaratoimittajien lisä-arvoa yrityksessä voidaan arvioida ja mitata, ja missä laajuudessa se on relevanttia ? Näihin ja eräisiin muihin asiaan liittyviin ongelmiin antaa tämä tutkielma työ-kalun ja vastauksen. Tutkielman teoreettisessa osassa esitellään sekä tavaratoimittajien lisäarvon syntyä että eräitä mahdollisia lisäarvon arviointi ja mittaamismenetelmiä tavara-toimittajien arvioimisen ja mittaamisen näkökulmasta. Empiirisessä osassa tutkimusongelmaan esitettään eräs vaihtoehtoinen ratkaisutapa case yrityksen kautta. Tutkielman perusteella voitaneen sanoa, että tavaratoimittajien lisäarvon arvioiminen ja mittaaminen, erityisesti tilanteessa, missä mietitään tavaratoimittajien kokonaismäärää ja heistä koituvien kustannusten leikkaamista, on panostamisen arvoinen työ.

Markkinamekanismit sähkön tukkumarkkinoilla

Diplomityön tavoitteena on tehdä katsaus sähkömarkkinoiden integroitumiseen Euroopassa. Lisäksi keskeinen tavoite on löytää integraatiokehitystä ohjaavia tekijöitä, ja vertailla eri alueiden yhdistymiskehitystä. Markkinaintegraation taustalla on Euroopan Unionin tavoitteet luoda yhtenäiset sähkön sisämarkkinat. Aluksi kuitenkin luodaan alueelliset sähkömarkkinat, jotka yhdistetään yhteen myöhemmin. Työssä tarkastellaan Pohjoismaiden sähkömarkkinoita ja pörssitoimintaa. Tämän lisäksi paneudutaan Saksan, Ranskan, Hollannin ja Belgian sähkömarkkinoihin, sähköpörsseihin ja markkinaintegraatioprosesseihin. Näillä alueilla yhdistymisprosessit ovat edenneet kaikkein pisimmälle, joten ne ovat mielenkiintoisia tarkastelukohteita. Kutakin aluetta käsitellään sen omista lähtökohdista käsin ja lisäksi tehdään vertailu eri markkina-alueiden kehityksestä. Toinen näkökulma on tarkastella EU:n muiden alueiden (Iso-Britannia, Iberia, Italia ja Kreikka) sähkömarkkinoita ja integraatioprosesseja. Osassa näitä alueita on ollut ongelmia markkinoiden avaamisessa ja yhdistymiskehityksessä, joten näistä saadaan hyviä vertailukohtia. Merkittävä osa työtä on myös perehtyä erilaisiin hinnoittelumekanismeihin pörsseissä, ja siirtoverkon ruuhkaisuuden käsittelyyn liittyviin malleihin. Tässä yhteydessä esitellään myös yhdysvaltalaisia sähkömarkkinoita, ja siirtoverkon kapasiteetinjakomenetelmiä Euroopassa.

Clinically occult metastases in patients with cutaneous melanoma. Detection with sentinel lymph node biopsy and whole body positron emission tomography

Objective: The aim of this study was to investigate the use of sentinel lymph node biopsy (SLNB) and whole body positron emission tomography (PET), with emphasis on surgical treatment and prognosis, in the detection of clinically occult metastases in patients with clinically localized cutaneous melanoma. Patients and methods: The study population consisted of 1255 patients with clinical stage I–II cutaneous melanoma, operated at Turku University Hospital between 1983 and 2007. 334 patients underwent SLNB and they were compared to 921 retrospective patients. A subgroup of 30 symptom-free patients with high risk melanoma underwent prospectively whole body PET 6–24 months postoperatively. Results: Overall, the disease-specific survival rate was 84.4 % at five years. Sex, Breslow thickness, age and nodal status were independent prognostic factors for survival. SLNB revealed occult nodal metastases in 17 % of the patients. There was no significant difference in disease-specific overall survival between SLNB patients and controls, but the nodal disease-free time was significantly longer suggesting better local control after SLNB and subsequent completion lymph node dissection. The followup time was different between the study cohorts and initial surgery was performed during different time periods. SLNB detected micrometastases in seven of 155 patients (4.5 %) with thin T1 primary melanoma and in four of 25 patients (16 %) with head and neck melanoma. In six of 30 asymptomatic patients with high risk melanoma (20 %), whole body PET detected occult distant metastases. Conclusion: Both SLNB and whole body PET were reliable methods to detect clinically occult metastases in patients with cutaneous melanoma. This upstaging altered the treatment in each case.