Kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten äärikestävyyden ja jäykkyyden määrittäminen sekä materiaalimallin kehittäminen

Työssä on tutkittu elementtimenetelmän avulla kylmämuovattujen nelikulmaisten putkipalkkien materiaalimallin kehittämistä ja putkipalkkien X-liitosten jäykkyyden ja äärikestävyyden määrittämistä. Työn tavoitteena on tutkia kylmämuovauksen vaikutuksia putkipalkkiprofiilin materiaaliominaisuuksiin materiaalikokeiden ja elementtianalyysien avulla sekä kehittää putkipalkille anisotrooppista materiaalimallia. Työssä määritettyjä materiaalimalleja on sovellettu X-liitosten elementtimalleihin, joiden käyttäytymistä on verrattu äärikestävyyskokeiden tuloksiin. Tutkimuksen perusteella Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan turvallisesti soveltaa kylmämuovattujen putkipalkkien X-liitosten laskennassa. Työssä tehtyjen materiaalikokeiden ja elementtianalyysien perusteella materiaalin anisotrooppisuuden vaikutus liitoksen kestävyyteen on vähäistä, ja putkipalkin pituussuuntaista materiaalimallia voidaan soveltaa myös kehäsuuntaisille materiaaliominaisuuksille. Materiaalikokeiden simulointi osoittaa, että elementtimenetelmää voidaan käyttää materiaalimallin määrittämisen apuvälineenä.

Harustetun 110 kV kannatuspylvään konseptin kehittäminen

Diplomityössä kehitettiin harustetun 110 kV kannatuspylvään konsepti tuotteeksi. Pylväs on säänkestävästä teräksestä valmistettu putkipalkkirakenteinen I-pylväs. Tavoitteena oli suunnitella rakenteesta kokonaistaloudellisesti edullinen. Rakenteen suunnittelussa otettiin huomioon valmistus-, kuljetus- ja varastointi- sekä rakentamisnäkökohtia. Työssä perehdyttiin pylväsrakenteiden yksityiskohtiin, putkipalkkien liitosmenetelmiin ja pylvään jalan nivelöintiratkaisuihin. Säänkestävä rakennemateriaali otettiin huomioon rakennesuunnittelussa. Rakenteen lujuusteknisen suunnittelun apuna käytettiin epälineaarista elementtimenetelmää. Pylväsrakenteen käyttäytyminen mallinnettiin geometrisesti epälineaariseksi, ja liitosdetaljien analysointia varten kehitettiin epälineaarisia materiaalimalleja. Rakenteen värähtelykäyttäytyminen analysoitiin myös elementtimenetelmällä. Lopputuloksena saatiin aikaan pylväs, joka täyttää sille asetetut vaatimukset. Pylväs on helposti valmistettava, kuljetettava ja pystytettävä.

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.

S500 Suurlujuusteräksestä valmistettujen rakenneputkiliitosten lujuusominaisuudet

Nykyinen Eurocode 3 suunnitteluohjeen rakenneputkiliitoksia käsittelevä osio vaatii S500 suurlujuusteräksestä valmistettujen liitosten mitoituksen yhteydessä käytettäväksi reduk-tiokerrointa 0.8. Tämä on varsin konservatiivinen mitoituspa, joka vähentää merkittävästi lujemman teräslaadun käyttämisestä saavutettavaa hyötyä. Tämän työn pääasiallinen ta-voite on laboratoriotestein selvittää S500 lujuusluokan rakenneputkiliitosten todellinen äärikapasiteetti ja verrata sitä nykyisen mitoitusohjeen mukaiseen kapasiteettiin. Tässä työssä tutkitut liitokset ovat valmistettu poikkileikkaukseltaan nelikulmaisista kyl-mämuovatuista rakenneputkista. Koesarja koostui kahdeksasta X-liitoksesta, sekä kymme-nestä K-liitoksesta. Kaikki testit suoritettiin huoneenlämmössä, LUT Koneen teräsrakenne-laboratoriossa. Laboratoriotestien lisäksi rakenteen käyttäytymistä tutkittiin epälineaarisen elementtimenetelmän avulla ja näitä tuloksia verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Sekä testien että FE–analyysin perusteella voidaan todeta, että S500 lujuusluokan terästä käytettäessä ei Eurocode 3:n mukaisen reduktiokertoimen käytölle ole perusteita.

SolidWorks Simulations ja Femap FE-analyysiohjelmien vertailu RHS-putkipalkkien mallinnuksen avulla

Tässä kandidaatintyössä vertailtiin SolidWorks Simulations ja Femap FE-analyysiohjelmien tuottamia tuloksia. Vertailu suoritettiin yksinkertaisten RHS-putkipalkkien mallinnuksen avulla. Mallinnuksessa käytettiin viittä erilaista kuormitustapausta, jotka sisälsivät mm. taivutus-, vääntö- ja jännityskeskittymätarkastelut. Ohjelmien tuottamia tuloksia verrattiin mahdollisuuksien mukaan analyyttisin menetelmin tehtyihin vertailulaskelmiin. Työn tarkoituksena oli selvittää tuottivatko eri ohjelmat erilaisia tuloksia samoista kuormitustapauksista ja kuinka paljon tulokset erosivat.

Pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä

Tässä diplomityössä määritettiin pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä. Työn tavoitteena oli vertailla eri jälkikäsittelyjen ja kahden eri materiaalin vaikutusta väsymislujuuteen. Materiaaleina kokeissa oli Ruukki double grade ja Optim 700 Plus MH. Eurokoodi 3 ja IIW määrittelee kiinnityshitseille väsymiskestävyysluokaksi 125-140, kun SN -käyrän kaltevuus, m = 3. Koetuloksia vertailtiin näihin valmiiksi määriteltyihin väsymiskestävyysluokkiin. Ruukki Metals Oy toimitti koemateriaalin kahdenlaisia väsytyskokeita varten, joiden avulla väsymislujuus voitiin määrittää. Ensimmäinen koe suoritettiin värähtelyllä hyödyntäen rakenneputken ominaistaajuutta, jolloin kuormituksen rajajännityssuhde on -1. Toinen väsytyskoe suoritettiin rakenneputkista leikatuille väsytyssauvoille, missä pituussuuntainen HF –hitsi on keskellä sauvaa. Tämä väsytyskoe suoritettiin vetotykytyksellä rajajännityssuhteella 0,1. Väsytyskokeissa havaittiin, että kiinnityshitsi täyttää sille asetetut vaatimukset, koska murtumat tapahtuivat perusaineesta. Tällöin koetuloksia vertaillaan Eurokoodi 3:n perusaineen väsymisluokkaan 160, SN -käyrän kaltevuudella m = 5. Kaikkien koetulosten väsymiskestävyysluokan keskiarvoksi saatiin 185 95 %:n todennäköisyydellä. Tutkimuksessa saatiin arvokasta tietoa kahden eri materiaalin väsymislujuudesta. Materiaalilla ei kuitenkaan havaittu vaikutusta lujuuteen. Eri jälkikäsittelyt eli juuren puolen metallipurseen höyläys tai pituussuuntaisen hitsisauman hehkutus eivät vaikuttaneet väsymislujuuteen. Kokeissa väsymismurtuma ydintyi rakenneputken pinnalta olevista alkuvioista, joten putkien käsittelyä valmistuksen jälkeen voitaisiin parantaa.

K-liitoksen epäkeskeisen tuennan aiheuttaman sekundäärisen momentin määritys

Työssä on tutkittu laboratoriokokeen ja elementtimenetelmän avulla eri geometrioiden vaikutusta sekundääriseen momentin syntymiseen K-liitoksella. Kokeen liitos on tehty S700-lujuusluokan Ruukin Optim 700 plus MH nelikulmaisista rakenneputkista (RHS). Elementtimalleissa on käytetty geometrista ja materiaalista epälineaarisuutta ennustamaan liitoksen muodonmuutoskykyä ja laskennallista kestävyyttä. Liitoksen elementtimalleissa muutettavia geometrioita ovat: vapaaväli, uumasauvan ja paarteen välinen kulma, paarteen seinämän paksuus, liitoksen eksentrisyys ja uumasauvan ja paarteen leveyden suhde. Laboratoriokokeen liitoksen vetouumasauvassa vaikuttava sekundäärisen momentin aiheuttama jännitys on noin 25 % vetouumasauvan myötörajasta. Suurin sekundäärinen momentti syntyy, kun vapaaväliä pienennetään ja uumasauvaa kavennetaan paarteeseen nähden. Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan elementtimallien perusteella soveltaa tietyille geometrioille turvallisesti.

Construction of 2D transparent micromodels in polyester resin with porosity similar to carrots

Microscopic visualization, especially in transparent micromodels, can provide valuable information to understand the transport phenomena at pore scale in different process occurring in porous materials (food, timber, soils, etc.). Micromodels studies focus mainly on the observation of multi-phase flow, which presents a greater proximity to reality. The aim of this study was to study the process of flexography and its application in the manufacture of polyester resin transparent micromodels and its application to carrots. Materials used to implement a flexo station for micromodels construction were thermoregulated water bath, exposure chamber to UV light, photosensitive substance (photopolymer), RTV silicone polyester resin, and glass plates. In this paper, data on size distribution of a particular kind of carrot we used, and a transparent micromodel with square cross-section as well as a Log-normal pore size distribution with pore radii ranging from 10 to 110 µm (average of 22 µm and micromodel size of 10 × 10 cm) were built. Finally, it stresses that it has successfully implemented the protocol processing 2D polyester resin transparent micromodels.

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.

Vortex-Antivortex Dynamics in a Mesoscopic Superconducting Prism with a Centered Antidot

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Crossover between macroscopic and mesoscopic regimes of vortex interactions in type-II superconductors

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Critical temperature for first-order phase transitions in confined systems

We consider the Euclidean D-dimensional -lambda vertical bar phi vertical bar(4)+eta vertical bar rho vertical bar(6) (lambda,eta > 0) model with d (d <= D) compactified dimensions. Introducing temperature by means of the Ginzburg-Landau prescription in the mass term of the Hamiltonian, this model can be interpreted as describing a first-order phase transition for a system in a region of the D-dimensional space, limited by d pairs of parallel planes, orthogonal to the coordinates axis x(1), x(2),..., x(d). The planes in each pair are separated by distances L-1, L-2, ... , L-d. We obtain an expression for the transition temperature as a function of the size of the system, T-c({L-i}), i = 1, 2, ..., d. For D = 3 we particularize this formula, taking L-1 = L-2 = ... = L-d = L for the physically interesting cases d = 1 (a film), d = 2 (an infinitely long wire having a square cross-section), and for d = 3 (a cube). For completeness, the corresponding formulas for second-order transitions are also presented. Comparison with experimental data for superconducting films and wires shows qualitative agreement with our theoretical expressions.

Estruturas do olho do Macrobrachium amazonicum (Heller, 1862) (Crustacea, Decapoda, Palaemonidae): estudo utilizando microscopia óptica e de varredura.

O gênero Macrobrachium contém mais de 120 espécies e ocorre nas regiões tropicais e subtropicais de todo o mundo (VALENTI, 1987). São camarões de água doce da família Palaemonidae e da ordem Decapoda (RAFINESQUE, 1815; LATREILLER, 1802). No Brasil existem 18 espécies, até agora classificadas, distribuídas ao longo da bacia amazônica (MELO 2003). Entre estas, o Macrobrachium amazonicum (HELLER, 1862) conhecido popularmente como camarão-sossego ou camarão-canela, amplamente empregados na carcinicultura. Os crustáceos dispõem de estruturas sensitivas localizadas no cefalotórax, que permitem receber estímulos do meio para localizar e capturar o alimento (BARNES, 1998). Os olhos compostos estão presentes em todas as classes de crustáceo. Assim, a hipótese levantada nessa pesquisa foi que no Macrobrachium amazonicum, estes olhos são do tipo de superposição reflexiva, onde o aparelho dióptrico e o rabdômero se estendem em camadas e está separado por uma zona clara não pigmentada. Neste trabalho temos como objetivos: Avaliar os aspectos morfológicos do olho do Macrobrachium amazonicum em microscopia eletrônica de varredura; Caracterizar a morfologia das células fotorreceptoras; Descrever as estruturas morfológicas do olho do M. amazonicum; Caracterizar as relações morfométricas entre o olho e as demais estruturas do M. amazonicum. Os animais foram adquiridos no distrito de Mosqueiro nos períodos de chuvas, março de 2009 e março de 2010, com pescadores no município de Santa Bárbara, área metropolitana de Belém, e transportados para o laboratório em caixas de isopor, sendo mantidos em quarentena em um recipiente contendo uma solução de permanganato de potássio a 1,3 mg/L (CARNEIRO et al., 005). Os animais foram fixados em Davidson e Karnovisky, em seguida os olhos de cada animal foram cuidadosamente seccionados e colocados em frascos plásticos. Nas relações biométricas foram realizadas a análise de variância com α = 0,05, foi realizada com Bio Estat 5.0 para os comprimentos do olho látero-lateral e ântero-posterior dos quatro morfotipos, e SigmaPlot 11.0 e regressão linear simples, para as variáveis olho total e cefalotórax. Observou-se que o tamanho médio do cefalotórax, do corpo, do olho é respectivamente: 21,03 mm; 70,62 mm e 4,52 mm, sendo que, o peso médio do camarão foi de 7,97 g. Os valores máximos registrados dessas estruturas foram de 31,95 mm para o cefalotórax; 100,10 mm para o tamanho do corpo; 6,80 mm para o tamanho do olho e de 20,54 g para o peso do camarão. Após análise histológica foram identificadas as seguintes estruturas (Figs. 13 e 14 A-B): córnea, cone cristalino, pigmento distal, haste do cone, zona clara, cutícula, retina, rabdoma, fibras do nervo óptico e lamina. Com relação à microscopia eletrônica de varredura, foram selecionadas para observação as principais estruturas e especialmente o arranjo em seção transversal quadrada dos omatídeos (Figs. 16 A-B). As análises morfométrica e morfológica (por histologia e microscopia eletrônica de varredura) apontaram características próprias de Macrobrachium amazonicum adultos oriundos da região metropolitana de Belém. Estes achados incluem uma óptica de superposição reflexiva com olhos adaptados a percepção de estímulos luminosos.

Influência de uma fenda na dinâmica de vórtices utilizando a teoria de Ginzburg-Landau dependente do temp

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS