Väsymismitoitusperusteiden ja kuormitusten määrittäminen hitsatuille sekoitinakseleille

Työssä selvitettiin vastusvenymäliuskamittausten avulla sekoitinakselin kuormitukset sekä perehdyttiin väsymisilmiöön ja hitsattujen rakenteiden väsymismitoitukseen. Kuormitusten mittauksessa rekisteröitiin akselin kriittisen kohdan taivutus- ja vääntövenymät. Mittaustulosten avulla tutkittiin kuormituksia ja kuormitusten luonnetta sekä johdettiin väsymismitoitusperusteet sekoitinakseleille. Väsymismitoitus perustuu kahteen eri menetelmään. Vakioamplitudiseen väsymisrajaan perustuvassa menetelmässä vaihtuva-amplitudisella jännityksellä suurinkin jännitysheilahdus jää väsymisrajan alle. Kokonaisväsymisvaurioon perustuvassa mitoituksessa puolestaan sallitaan vakioamplitudisen väsymisrajan ylitys. Kestoikä on käytetty loppuun, kun väsymisvaurio saavuttaa väsymiskestävyyden arvon. Menetelmän valinta riippuu käytettävästä sekoitinelintyypistä ja käytön aikana ilmenevistä väsymisen kannalta vaarallisista tilanteista.

Harvesteripään karsintaterän ennenaikaiseen vaurioitumiseen johtavien syiden analysointi

Viimeisten vuosien ja jopa viimeisen vuosikymmenen aikana on metsäkoneiden valmistusta kehitetty aiemmasta, jopa täydellisestä omavalmistuksesta yhä enemmän alihankintatoimittajien suuntaan. Koneen valmistaja keskittyy usein vain varsin kapean osuuden esim. loppukokoonpanon suorittamiseen. Samalla on yhä enemmän luotettu alihankinnan suorittamaan laadunvalvontaan ja – varmistukseen. Toimintatapa edellyttää toimivaa laatujärjestelmää koneen valmistajan ja kaikkien alihankkijoiden toiminnassa. Lisäksi tuotantohenkilöstön ammattitaidon tulee olla sitä tasoa, että laatujärjestelmissä oleva laatuvaatimus saavutetaan kaikissa olosuhteissa. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää, kuinka metsäkoneen harvesteripään karsintaterän luotettavuutta voidaan parantaa. Kuormitusten selvittämisen menetelmänä käytettiin venymäliuskamittausta. Analysoinnissa on käytetty nimellisen jännityksen- ja tehollisen lovijännityksen menetelmää. Em. menetelmän tulokset ovat laskettu FEM-laskennalla. Nykyiset terät on analysoitu em. menetelmien käytöstä saaduilla tuloksilla. Analysoinnin tuloksista voitiin tehdä johtopäätös, että terien lujuutta tulee lisätä luotettavuuden parantamiseksi. Saatuja mittaus- ja suunnittelutietoja voidaan tulevaisuudessa hyödyntää uusien terien suunnittelussa.

Hitsatun rakenteen lujuustarkastelu kokeellisesti määritetyn kuormitushistorian perusteella

Työssä tutkittiin jätteen murskauksesta murskaimeen aiheutuvia kuormituksia vastusvenymäliuskamittauksilla. Eri jätetyyppien aiheuttamia kuormituksia tutkittiin erillisinä tapauksina ja näistä tyyppikuormituksista johdettiin rakenteen normaalia käyttöä vastaava kuormitushistoria käyttäen painokertoimia eri tyyppikuormien kesken. Murskaimen runkorakennetta tutkittiin FE-analyysillä käyttäen kuormituksena kenttämittauksilla saatua todellista kuormitusta. FE-menetelmällä tutkittiin väsymisen kannalta kriittisiä kohtia rakenteesta. Tulosten perusteella kriittisiin yksityiskohtiin laadittiin parannusehdotuksia, joiden perusteella yhteistyössä työn teettäjän kanssa laadittiin uudet rakenneratkaisut. Rakenteen kestoikä määritettiin väsymisvaurion kannalta kriittisimmän yksityiskohdan mukaan. Kestoiän määrittämiseen käytettiin Palmgren-Miner menetelmää ja Palmgren-Miner menetelmästä johdettua ekvivalentin jännitysvaihtelun menetelmää. Muutosten jälkeen rakenne täyttää sille asetetun suunnittelukestoiän käytettyjen menetelmien perusteella.

Työkoneen levypyörän kantavuus

Työkoneen vanteen kantavuuslaskentaan käytettävän taulukon epäiltiin tuottavan todellista huonompia kantavuuksia etenkin suurten offset-arvon vanteiden tapauksessa. Tutkimuksessa yhdestä tyypillistä kokoa edustavasta vannetyypistä valmistettiin offset-säädettävä erikoisvanne. Vanteen käytön aikaisia rasituksia seurattiin venymäliuska-antureilla koeajoradalla tavanomaisissa ajotilanteissa eri offset-arvoilla traktorilla vedettävän kuormitetun testivaunun avulla. Saatuja tuloksia vertailtiin vanteen elementtimallin tuloksiin ja käytettyjä kuormitusolettamia muutettiin. Tutkimuksen tuloksena kantavuuden laskentaan käytettävän taulukon todettiin toimivan pääosin mittauksen mukaisesti. Vanteen offset-arvolla on laskentataulukon mukaisesti merkittävä vaikutus vanteen keskiön väsymiskestävyyteen. Suurilla negatiivisilla offset-arvoilla vanteen kestoiän määrä ajo taisella alustalla, kun taas suurten positiivisten vanteiden väsymisvaurio aiheutuu pääosin kaltevalla pinnalla ajosta. Mittauksella pystyttiin osoittamaan laskentataulukon konservatiivinen olettama etenkin suurten negatiivisten offset-arvojen vanteille, jolla kyseenomaisten vanteiden väsymiskestoikää voidaan parantaa merkittävästi. Lisäksi laskentaohjelman tekemisessä käytettyjen kuormitus- ja reunaehto-olettamien vahvistettiin toimivan keskiön kannalta riittävällä tarkkuudella. Havainnolla on tärkeä rooli tulevissa elementtimenetelmään perustuvissa kantavuuslaskelmissa.

Kaksoislaatuisesta rakenneputkesta hitsatun X-liitoksen kestävyys ja muodonmuutoskyky

Rautaruukki Oyj:n uusi Ruukki double grade S420MH/S355J2H -rakenneputki yhdistää putkilajien S420MH ja S355J2H ominaisuudet. Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaan Ruukki double graden käyttöön on sovellettava lujuusluokan S420 mukaista hitsien mitoitusta ja rakenneputkiliitosten staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuskerrointa, kun halutaan hyödyntää lujuusluokan S420 ominaisuudet Ruukki double gradea käytettäessä. Tässä työssä tutkittiin S420-lujuusluokkaa vastaavien suunnittelumääräysten soveltamistarvetta Ruukki double grade -rakenneputken käyttöön. Työn tavoitteena oli arvioida Ruukki double grade -rakenneputkesta hitsaamalla valmistetun X-liitoksen kestävyyden ja muodonmuutoskyvyn riittävyys, kun hitsit mitoitettiin S355-lujuusluokkaa vastaavien Eurocode 3:n suunnitteluohjeiden mukaisesti. X-liitosten kestävyyttä ja muodonmuutoskykyä tutkittiin kokeellisesti -40 C lämpötilassa suoritettujen laboratoriokokeiden avulla sekä analyyttisen laskennan ja elementtimenetelmän keinoin. Kestävyyden riittävyyttä arvioitiin vertaamalla laboratoriokokeista saatuja liitosten kestävyyksiä Eurocode 3:n ja myötöviivateorian mukaisiin kestävyyksiin. Elementtimenetelmän ja laboratoriokokeen pohjalta piirrettyjä liitoksen voima-siirtymäkuvaajia vertailtiin keskenään, kun elementtimalli analysoitiin eri materiaalimalleilla. Lisäksi verrattiin elementtimallin voima-venymäkuvaajia liitoksen venymäliuskan arvoihin. Kaikki koesarjan S355-lujuusluokan mukaisilla hitsin a-mitoilla valmistetut liitokset täyttivät kestävyydelle ja muodonmuutoskyvylle asetetut vaatimukset. Täten tämän koesarjan perusteella ei ollut tarpeellista soveltaa S420-lujuusluokan mukaista hitsien mitoitusta ja staattista mitoituskestävyyttä alentavaa varmuuslukua Ruukki double grade -rakenneputkeen. Elementtimenetelmästä ja laboratoriokokeesta saadut liitoksen voima-siirtymäkuvaajat vastasivat hyvin toisiaan. Sen sijaan elementtimallin voima-venymä-kuvaajat eivät vastanneet venymäliuskojen mittausdataa kovin hyvin.

The Dynamic Analysis of a Human Skeleton Using the Flexile Multibody Simulation Approach

The human motion study, which relies on mathematical and computational models ingeneral, and multibody dynamic biomechanical models in particular, has become asubject of many recent researches. The human body model can be applied to different physical exercises and many important results such as muscle forces, which are difficult to be measured through practical experiments, can be obtained easily. In the work, human skeletal lower limb model consisting of three bodies in build using the flexible multibody dynamics simulation approach. The floating frame of reference formulation is used to account for the flexibility in the bones of the human lower limb model. The main reason of considering the flexibility inthe human bones is to measure the strains in the bone result from different physical exercises. It has been perceived the bone under strain will become stronger in order to cope with the exercise. On the other hand, the bone strength is considered and important factors in reducing the bone fractures. The simulation approach and model developed in this work are used to measure the bone strain results from applying raising the sole of the foot exercise. The simulation results are compared to the results available in literature. The comparison shows goof agreement. This study sheds the light on the importance of using the flexible multibody dynamic simulation approach to build human biomechanical models, which can be used in developing some exercises to achieve the optimalbone strength.

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.

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.

Flexible Multibody Simulation Approach in the Dynamic Analysis of Bone Strains Activity

The objective of this study is to show that bone strains due to dynamic mechanical loading during physical activity can be analysed using the flexible multibody simulation approach. Strains within the bone tissue play a major role in bone (re)modeling. Based on previous studies, it has been shown that dynamic loading seems to be more important for bone (re)modeling than static loading. The finite element method has been used previously to assess bone strains. However, the finite element method may be limited to static analysis of bone strains due to the expensive computation required for dynamic analysis, especially for a biomechanical system consisting of several bodies. Further, in vivo implementation of strain gauges on the surfaces of bone has been used previously in order to quantify the mechanical loading environment of the skeleton. However, in vivo strain measurement requires invasive methodology, which is challenging and limited to certain regions of superficial bones only, such as the anterior surface of the tibia. In this study, an alternative numerical approach to analyzing in vivo strains, based on the flexible multibody simulation approach, is proposed. In order to investigate the reliability of the proposed approach, three 3-dimensional musculoskeletal models where the right tibia is assumed to be flexible, are used as demonstration examples. The models are employed in a forward dynamics simulation in order to predict the tibial strains during walking on a level exercise. The flexible tibial model is developed using the actual geometry of the subject’s tibia, which is obtained from 3 dimensional reconstruction of Magnetic Resonance Images. Inverse dynamics simulation based on motion capture data obtained from walking at a constant velocity is used to calculate the desired contraction trajectory for each muscle. In the forward dynamics simulation, a proportional derivative servo controller is used to calculate each muscle force required to reproduce the motion, based on the desired muscle contraction trajectory obtained from the inverse dynamics simulation. Experimental measurements are used to verify the models and check the accuracy of the models in replicating the realistic mechanical loading environment measured from the walking test. The predicted strain results by the models show consistency with literature-based in vivo strain measurements. In conclusion, the non-invasive flexible multibody simulation approach may be used as a surrogate for experimental bone strain measurement, and thus be of use in detailed strain estimation of bones in different applications. Consequently, the information obtained from the present approach might be useful in clinical applications, including optimizing implant design and devising exercises to prevent bone fragility, accelerate fracture healing and reduce osteoporotic bone loss.

A Practical Micro Mechanical Model Based Local Approach Methodology for the Analysis of Ductile Fracture of Welded T-Joints

This thesis concentrates on developing a practical local approach methodology based on micro mechanical models for the analysis of ductile fracture of welded joints. Two major problems involved in the local approach, namely the dilational constitutive relation reflecting the softening behaviour of material, and the failure criterion associated with the constitutive equation, have been studied in detail. Firstly, considerable efforts were made on the numerical integration and computer implementation for the non trivial dilational Gurson Tvergaard model. Considering the weaknesses of the widely used Euler forward integration algorithms, a family of generalized mid point algorithms is proposed for the Gurson Tvergaard model. Correspondingly, based on the decomposition of stresses into hydrostatic and deviatoric parts, an explicit seven parameter expression for the consistent tangent moduli of the algorithms is presented. This explicit formula avoids any matrix inversion during numerical iteration and thus greatly facilitates the computer implementation of the algorithms and increase the efficiency of the code. The accuracy of the proposed algorithms and other conventional algorithms has been assessed in a systematic manner in order to highlight the best algorithm for this study. The accurate and efficient performance of present finite element implementation of the proposed algorithms has been demonstrated by various numerical examples. It has been found that the true mid point algorithm (a = 0.5) is the most accurate one when the deviatoric strain increment is radial to the yield surface and it is very important to use the consistent tangent moduli in the Newton iteration procedure. Secondly, an assessment of the consistency of current local failure criteria for ductile fracture, the critical void growth criterion, the constant critical void volume fraction criterion and Thomason's plastic limit load failure criterion, has been made. Significant differences in the predictions of ductility by the three criteria were found. By assuming the void grows spherically and using the void volume fraction from the Gurson Tvergaard model to calculate the current void matrix geometry, Thomason's failure criterion has been modified and a new failure criterion for the Gurson Tvergaard model is presented. Comparison with Koplik and Needleman's finite element results shows that the new failure criterion is fairly accurate indeed. A novel feature of the new failure criterion is that a mechanism for void coalescence is incorporated into the constitutive model. Hence the material failure is a natural result of the development of macroscopic plastic flow and the microscopic internal necking mechanism. By the new failure criterion, the critical void volume fraction is not a material constant and the initial void volume fraction and/or void nucleation parameters essentially control the material failure. This feature is very desirable and makes the numerical calibration of void nucleation parameters(s) possible and physically sound. Thirdly, a local approach methodology based on the above two major contributions has been built up in ABAQUS via the user material subroutine UMAT and applied to welded T joints. By using the void nucleation parameters calibrated from simple smooth and notched specimens, it was found that the fracture behaviour of the welded T joints can be well predicted using present methodology. This application has shown how the damage parameters of both base material and heat affected zone (HAZ) material can be obtained in a step by step manner and how useful and capable the local approach methodology is in the analysis of fracture behaviour and crack development as well as structural integrity assessment of practical problems where non homogeneous materials are involved. Finally, a procedure for the possible engineering application of the present methodology is suggested and discussed.

Flexible multibody approach in bone strain estimation during physical activity:

Bone strain plays a major role as the activation signal for the bone (re)modeling process, which is vital for keeping bones healthy. Maintaining high bone mineral density reduces the chances of fracture in the event of an accident. Numerous studies have shown that bones can be strengthened with physical exercise. Several hypotheses have asserted that a stronger osteogenic (bone producing) effect results from dynamic exercise than from static exercise. These previous studies are based on short-term empirical research, which provide the motivation for justifying the experimental results with a solid mathematical background. The computer simulation techniques utilized in this work allow for non-invasive bone strain estimation during physical activity at any bone site within the human skeleton. All models presented in the study are threedimensional and actuated by muscle models to replicate the real conditions accurately. The objective of this work is to determine and present loading-induced bone strain values resulting from physical activity. It includes a comparison of strain resulting from four different gym exercises (knee flexion, knee extension, leg press, and squat) and walking, with the results reported for walking and jogging obtained from in-vivo measurements described in the literature. The objective is realized primarily by carrying out flexible multibody dynamics computer simulations. The dissertation combines the knowledge of finite element analysis and multibody simulations with experimental data and information available from medical field literature. Measured subject-specific motion data was coupled with forward dynamics simulation to provide natural skeletal movement. Bone geometries were defined using a reverse engineering approach based on medical imaging techniques. Both computed tomography and magnetic resonance imaging were utilized to explore modeling differences. The predicted tibia bone strains during walking show good agreement with invivo studies found in the literature. Strain measurements were not available for gym exercises; therefore, the strain results could not be validated. However, the values seem reasonable when compared to available walking and running invivo strain measurements. The results can be used for exercise equipment design aimed at strengthening the bones as well as the muscles during workout. Clinical applications in post fracture recovery exercising programs could also be the target. In addition, the methodology introduced in this study, can be applied to investigate the effect of weightlessness on astronauts, who often suffer bone loss after long time spent in the outer space.

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.