Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Laser-TIG–hybridihitsauksen soveltuvuustutkimus

Tässä tutkimuksessa selvitetään ilman hitsauslisäainetta tapahtuvan laser–TIG–hybridihitsausprosessin soveltuvuus 6 mm ja 8 mm paksujen päittäisliitettyjen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsaukseen. Hitsien tarkastelussa huomio kiinnitetään hitsausnopeuteen, hitsien tunkeumaan, liittämistehokkuuteen, hitsien kovuuteen ja hitsausliitoksen ulkonäköön. Muita tutkittavia asioita ovat laser-TIG-hybridihitsattujen levyjen muodonmuutokset ja suuresta hitsausnopeudesta sekä pienestä t8/5 jäähtymisajasta johtuvat mahdolliset kylmähalkeamat. Laser-TIG-hybridihitsejä verrataan robotti-MAG- ja käsin MAG-hitseihin sekä kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 hitsiluokkien mukaisiin raja-arvoihin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia. Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen. Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot. Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen. Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna. Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa. Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa. 8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä. Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

On the numerical simulation of machining processes

Numerical simulation of machining processes can be traced back to the early seventies when finite element models for continuous chip formation were proposed. The advent of fast computers and development of new techniques to model large plastic deformations have favoured machining simulation. Relevant aspects of finite element simulation of machining processes are discussed in this paper, such as solution methods, material models, thermo-mechanical coupling, friction models, chip separation and breakage strategies and meshing/re-meshing strategies.

Constitutive laws for strong geometric non-linearity

This paper is divided into two different parts. The first one provides a brief introduction to the fractal geometry with some simple illustrations in fluid mechanics. We thought it would be helpful to introduce the reader into this relatively new approach to mechanics that has not been sufficiently explored by engineers yet. Although in fluid mechanics, mainly in problems of percolation and binary flows, the use of fractals has gained some attention, the same is not true for solid mechanics, from the best of our knowledge. The second part deals with the mechanical behavior of thin wires subjected to very large deformations. It is shown that starting to a plausible conjecture it is possible to find global constitutive equations correlating geometrical end energy variables with the fractal dimension of the solid subjected to large deformations. It is pointed out the need to complement the present proposal with experimental work.

Modeling of the Fluid-Structure Interaction in Inelastic Piping Systems

In many engineering applications, compliant piping systems conveying liquids are subjected to inelastic deformations due to severe pressure surges such as plastic tubes in modern water supply transmission lines and metallic pipings in nuclear power plants. In these cases the design of such systems may require an adequate modeling of the interactions between the fluid dynamics and the inelastic structural pipe motions. The reliability of the prediction of fluid-pipe behavior depends mainly on the adequacy of the constitutive equations employed in the analysis. In this paper it is proposed a systematic and general approach to consistently incorporate different kinds of inelastic behaviors of the pipe material in a fluid-structure interaction analysis. The main feature of the constitutive equations considered in this work is that a very simple numerical technique can be used for solving the coupled equations describing the dynamics of the fluid and pipe wall. Numerical examples concerning the analysis of polyethylene and stainless steel pipe networks are presented to illustrate the versatility of the proposed approach.

A Design Methodology for the Compensation of Positioning Deviation in Gantry Manipulators

This work presents recent results concerning a design methodology used to estimate the positioning deviation for a gantry (Cartesian) manipulator, related mainly to structural elastic deformation of components during operational conditions. The case-study manipulator is classified as gantry type and its basic dimensions are 1,53m x 0,97m x 1,38m. The dimensions used for the calculation of effective workspace due to end-effector path displacement are: 1m x 0,5m x 0,5m. The manipulator is composed by four basic modules defined as module X, module Y, module Z and terminal arm, where is connected the end-effector. Each module controlled axis performs a linear-parabolic positioning movement. The planning path algorithm has the maximum velocity and the total distance as input parameters for a given task. The acceleration and deceleration times are the same. Denavit-Hartemberg parameterization method is used in the manipulator kinematics model. The gantry manipulator can be modeled as four rigid bodies with three degrees-of-freedom in translational movements, connected as an open kinematics chain. Dynamic analysis were performed considering inertial parameters specification such as component mass, inertia and center of gravity position of each module. These parameters are essential for a correct manipulator dynamic modelling, due to multiple possibilities of motion and manipulation of objects with different masses. The dynamic analysis consists of a mathematical modelling of the static and dynamic interactions among the modules. The computation of the structural deformations uses the finite element method (FEM).

Lujasta teräksestä valmistetun palkin poikkileikkauksen optimointi

Parin viime vuosikymmenen aikana on kehitetty huomattavasti entistä lujempia teräslaatuja, joiden käyttö ei kuitenkaan ole yleistynyt läheskään samaan tahtiin. Korkeamman hinnan lisäksi yksi merkittävä syy tähän on, että suunnittelijoilla ei usein ole riittäviä tietoja siitä, millaisissa tilanteissa lujemman teräslaadun käytöstä on merkittävää hyötyä. Tilannetta ei myöskään helpota se, että käytössä olevat standardit eivät tarjoa lainkaan ohjeistusta kaikkein lujimpien, myötörajaltaan yli 700MPa terästen käyttöön ja mitoitukseen. Tässä työssä pyritään tarjoamaan suunnittelijalle ohjeita ja nyrkkisääntöjä sopivan lujuusluokan ja profiilin valintaan sekä yleisesti lujempien teräslaatujen käyttöön. Lujemman teräslaadun käytöllä voidaan keventää suunniteltavaa rakennetta ja saada aikaan huomattavia painonsäästöjä. Usein ongelmaksi nousevat kuitenkin stabiiliuskriteerit, sillä teräksen lommahduskestävyys määräytyy suuresti sen lujuusluokasta siten, että mitä lujempaa teräs on, sitä helpommin se lommahtaa. Kun tämä yhdistetään siihen, että lujempaa terästä käytettäessä rakenteesta tulee optimoituna muutenkin pienempi ja kevyempi, kasvaa näiden kahden asian yhteisvaikutuksena kantokyvyn mukaan mitoitetun rakenteen taipuma korkeampiin lujuusluokkiin edetessä hyvin nopeasti sallittujen rajojen yli. Työssä etsitään siksi keinoja sopivan kompromissin löytämiseksi lujuuden ja jäykkyyden välille. Koska muotoilulla ja poikkileikkauksella on suuri merkitys sekä taipuman että stabiliteetin kannalta, tutkitaan erilaisia poikkileikkausvaihtoehtoja ja etsitään optimaalista poikkileikkausta taivutuspalkille matemaattisen optimointimallin avulla. Kun eri poikkileikkausvaihtoehdot on käsitelty ja optimoitu taivutuksen suhteen, tutkitaan poikkileikkauksia myös muissa kuormitustapauksissa. Huomattavan raskaan laskentatyön takia apuna käytetään Matlab-ohjelmistoa itse optimointiin ja Femap-ohjelmaa muiden kuormitustapausten tutkimiseen ja tulosten verifioitiin.

Hitsattavan konstruktion laadun ja rakenteen kehittäminen lyöntipaalutuskoneessa

Työn tavoitteena oli Junttan Oy:n valmistaman lyöntipaalutuskoneeseen kuuluvan tärkeän konstruktion, peruskeilin, laadun ja rakenteen kehittäminen. Työ tehtiin osana Tekesin ja usean yrityksen rahoittamaa HitNet-projektia (Hitsaavan teollisuuden hankintatoimen ja toimitusketjun tehostaminen). Peruskeiliä tutkittiin seuraamalla sen valmistusta Junttan Oy:n omassa tuotannossa sekä alihankintayrityksissä. Ongelmana peruskeilin suunnittelussa ja valmistuksessa olivat hyvin tarkat toleranssirajat sen liukupinnoille. Suurimmat ongelmat syntyivät hitsaamisen tuoman suuren lämmöntuonnin aiheuttamien muodonmuutosten ja särmäyksestä johtuvan takaisinjouston yhteydessä. Näihin ongelmiin pyrittiin kehittämään ratkaisuja peruskeilin rakennetta muuttamalla, Total Welding Management -laatutyökalua hyödyntämällä sekä hitsaustoimintaa ja särmäystä kehittämällä. Peruskeilin suunnittelussa ja valmistuksessa havaittujen ongelmien perusteella kehitettiin useita ratkaisuja, joista yksi otettiin käyttöön ja siitä valmistetaan prototyyppi Junttan Oy:n omassa tuotannossa. Uuden mallin valmistuessa päätetään tuleeko siitä korvaaja edeltäjälleen vai testataanko vielä muita kehitysideoita.

Lung tissue mechanics in the early stages of induced paracoccidioidomycosis in rats

Pulmonary dysfunction represents the most important cause of death in patients with paracoccidioidomycosis (PBM). In order to investigate the functional changes of the lungs in the early stages of PBM, a model of benign disease was developed by intratracheal challenge of 12-week old isogenic Wistar rats with 1 x 106 yeast forms of Paracoccidioides brasiliensis. Animals were studied 30 and 60 days after infection, when fully developed granulomas were demonstrable in the lungs. Measurements of airway resistance, lung elastance and tissue hysteresis were made during sinusoidal deformations (100 breaths/min, tidal volume = 2 ml) with direct measurement of alveolar pressure using the alveolar capsule technique. Infection caused a significant increase in hysteresis (infected: 1.69, N = 13; control: 1.13, N = 12, P = 0.024, ANOVA), with no alterations in airway resistance or lung elastance. Histopathological analysis revealed the presence of fully developed granulomas located in the axial compartment of the lung interstitial space. These results suggest that alterations of tissue mechanics represent an early event in experimental PBM

Stiffness based trajectory planning and feedforward based vibration suppression control of parallel robot machines

The dissertation proposes two control strategies, which include the trajectory planning and vibration suppression, for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, with the aim of attaining the satisfactory machining performance. For a given prescribed trajectory of the robot's end-effector in the Cartesian space, a set of trajectories in the robot's joint space are generated based on the best stiffness performance of the robot along the prescribed trajectory. To construct the required system-wide analytical stiffness model for the serial-parallel robot machine, a variant of the virtual joint method (VJM) is proposed in the dissertation. The modified method is an evolution of Gosselin's lumped model that can account for the deformations of a flexible link in more directions. The effectiveness of this VJM variant is validated by comparing the computed stiffness results of a flexible link with the those of a matrix structural analysis (MSA) method. The comparison shows that the numerical results from both methods on an individual flexible beam are almost identical, which, in some sense, provides mutual validation. The most prominent advantage of the presented VJM variant compared with the MSA method is that it can be applied in a flexible structure system with complicated kinematics formed in terms of flexible serial links and joints. Moreover, by combining the VJM variant and the virtual work principle, a systemwide analytical stiffness model can be easily obtained for mechanisms with both serial kinematics and parallel kinematics. In the dissertation, a system-wide stiffness model of a kinematic redundant serial-parallel robot machine is constructed based on integration of the VJM variant and the virtual work principle. Numerical results of its stiffness performance are reported. For a kinematic redundant robot, to generate a set of feasible joints' trajectories for a prescribed trajectory of its end-effector, its system-wide stiffness performance is taken as the constraint in the joints trajectory planning in the dissertation. For a prescribed location of the end-effector, the robot permits an infinite number of inverse solutions, which consequently yields infinite kinds of stiffness performance. Therefore, a differential evolution (DE) algorithm in which the positions of redundant joints in the kinematics are taken as input variables was employed to search for the best stiffness performance of the robot. Numerical results of the generated joint trajectories are given for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, IWR (Intersector Welding/Cutting Robot), when a particular trajectory of its end-effector has been prescribed. The numerical results show that the joint trajectories generated based on the stiffness optimization are feasible for realization in the control system since they are acceptably smooth. The results imply that the stiffness performance of the robot machine deviates smoothly with respect to the kinematic configuration in the adjacent domain of its best stiffness performance. To suppress the vibration of the robot machine due to varying cutting force during the machining process, this dissertation proposed a feedforward control strategy, which is constructed based on the derived inverse dynamics model of target system. The effectiveness of applying such a feedforward control in the vibration suppression has been validated in a parallel manipulator in the software environment. The experimental study of such a feedforward control has also been included in the dissertation. The difficulties of modelling the actual system due to the unknown components in its dynamics is noticed. As a solution, a back propagation (BP) neural network is proposed for identification of the unknown components of the dynamics model of the target system. To train such a BP neural network, a modified Levenberg-Marquardt algorithm that can utilize an experimental input-output data set of the entire dynamic system is introduced in the dissertation. Validation of the BP neural network and the modified Levenberg- Marquardt algorithm is done, respectively, by a sinusoidal output approximation, a second order system parameters estimation, and a friction model estimation of a parallel manipulator, which represent three different application aspects of this method.

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.

Esikiristetyn pulttiliitoksen vaikutus hitsausmuodonmuutoksiin

Tässä työssä tutkitaan propulsioyksikön kiinnitysrenkaan pulttiliitosten vaikutusta asen-nushitsauksesta aiheutuviin hitsausmuodonmuutoksiin. Hitsausmuodonmuutoksissa tutki-taan tärkeimpinä kohtina asennuslohkossa laakerin rajapintaa sekä kääntömoottorin kiinni-tyspintaa. Tutkimuksessa asennuslohkon hitsaaminen ja muodonmuutosten arvioiminen toteutettiin käyttämällä epälineaarista elementtimenetelmää. Ensisijaisena tavoitteena työssä on tutkia esikiristettyjen pulttiliitoksien vaikutusta raken-teen muodonmuutoksiin ja pohtia aiheutuvien siirtymien perusteella pulttien tarpeellisuutta rakenteessa. Tämän lisäksi vertaillaan pultillisen ja pultittoman kiinnitystavan eroavaisuuk-sia tuloksia analysoimalla. Saatujen tuloksien perusteella radiaaliset ja aksiaaliset siirtymät eivät olleet riittävän suuria aiheuttamaan haittoja rakenteen toimivuudelle kummassakaan mallissa. Lisäanalyysejä tar-kemmalla lämmöntuonnilla voidaan pitää tarvittavana pulttiliitoksien tarpeellisuuden tar-kemman testaamisen vuoksi.

Hygro-elasto-plastic behavior of planar orthotropic material

The mechanical and hygroscopic properties of paper and board are factors affecting the whole lifecycle of a product, including paper/board quality, production, converting, and material and energy savings. The progress of shrinkage profiles, loose edges of web, baggy web causing wrinkling and misregistration in printing are examples of factors affecting runnability and end product quality in the drying section and converting processes, where paper or board is treated as a moving web. The structural properties and internal stresses or plastic strain differences built up during production also cause the end-product defects related to distortion of the shape of the product such as sheet or box. The objective of this work was to construct a model capable of capturing the characteristic behavior of hygroscopic orthotropic material under moisture change, during different external in-plane stretch or stress conditions. Two independent experimental models were constructed: the elasto-plastic material model and the hygroexpansivity-shrinkage model. Both describe the structural properties of the sheet with a fiber orientation probability distribution, and both are functions of the dry solids content and fiber orientation anisotropy index. The anisotropy index, introduced in this work, simplifies the procedure of determining the constitutive parameters of the material model and the hygroexpansion coefficients in different in-plane directions of the orthotropic sheet. The mathematically consistent elasto-plastic material model and the dry solids content dependent hygroexpansivity have been constructed over the entire range from wet to dry. The presented elastoplastic and hygroexpansivity-shrinkage models can be used in an analytical approach to estimate the plastic strain and shrinkage in simple one-dimensional cases. For studies of the combined and more complicated effects of hygro-elasto-plastic behavior, both models were implemented in a finite element program for a numerical solution. The finite element approach also offered possibilities for studying different structural variations of orthotropic planar material, as well as local buckling behavior and internal stress situations of the sheet or web generated by local strain differences. A comparison of the simulation examples presented in this work to results published earlier confirms that the hygro-elasto-plastic model provides at least qualitatively reasonable estimates. The application potential of the hygro-elasto-plastic model is versatile, including several phenomena and defects appearing in the drying, converting and end-use conditions of the paper or board webs and products, or in other corresponding complex planar materials.

Computational studies of deformation in stainless steel rings due to torch heating

A support ring of AISI 304L stainless steel that holds vertical, parallel wires arranged in a circle forming a cylinder is studied. The wires are attached to the ring with heat-induced shrinkage. When the ring is heated with a torch the heat affected zone tries to expand while the adjacent cool structure obstructs the expansion causing upsetting. During cooling, the ring shrinks smaller than its original size clamping the wires. The most important requirement for the ring is that it should be as round as possible and the deformations should occur as overall shrinkage in the ring diameter. A three-dimensional nonlinear transient sequential thermo-structural Abaqus model is used together with a Fortran code that enters the heat flux to each affected element. The local and overall deformations in one ring inflicted by the heating are studied with a small amount of inspection on residual stresses. A variety of different cases are chosen to be studied with the model constructed to provide directional knowledge; torch flux with the means of speed, location of the wires, heating location and structural factors. The decrease of heating speed increases heat flux that rises the temperature increasing shrinkage. In a single progressive heating uneven distribution of shrinkage appears to the start/end region that can be partially fixed with using speeded heating’s to strengthen the heating of that region. Location of the wires affect greatly to the caused shrinkage unlike heating location. The ring structure affects also greatly to the shrinkage; smaller diameter, bigger ring height, thinner thickness and greater number of wires increase shrinkage.