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.

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.

Chemical control of morning glory as a function of water restriction levels

Among the herbicides recommended for the dry season and registered to sugarcane crop, amicarbazone, isoxaflutole and the association diuron + hexazinone + sulfomethuron-methyl can be highlighted. These are pre-emergence herbicides efficient against broad-leaved weeds. Morning glory causes large losses in infested sugarcane fields by bending the stalks and interfering in harvesting. In this study the effectiveness of pre-emergence herbicides for two species of morning glory (Ipomoea hederifolia and Ipomoea grandifolia) was evaluated. Treatments were arranged in completely randomized factorial design (4 x 7). There were four periods of water restriction (0, 30, 60 and 90 days), seven chemical treatments [diuron + hexazinone + sulfometuron-methyl (1387 + 391 + 33.35 g a.i. ha-1), diuron + hexazinone + sulfometuron-methyl (1507.5 + 425 + 36.25 g a.i. ha-1), diuron + hexazinone + sulfometuron-methyl (1658.25 + 467.5 + 39.87 g a.i. ha-1), diuron + hexazinone + sulfometuron­methyl (1809 + 510 + 43.5 g a.i. ha-1), amicarbazone (1190 g a.i. ha-1), amicarbazone + isoxaflutole (840 + 82.5 g a.i. ha-1)] and a control with no application. At 7, 14, 21 and 28 days after the restoration of moisture, control was visually evaluated. After the final evaluation, the dry mass of morning glories was measured. At 90 days of water restriction, diuron + hexazinone + sulfometuron-methyl was more effective to control I. hederifolia than the amicarbazone + isoxaflutole tank mixture. The four diuron + hexazinone + sulfometuron­methyl doses have reduced morning glory dry mass to zero; whereas treatments with amicarbazone have not. The most effective treatment for morning glory control was diuron + hexazinone + sulfometuron-methyl. This result may be due to a possible synergistic interaction.

Vääntökuormitetun koteloprofiilipuomin väsymiskestävyys

Tässä työssä tutkittiin vääntökuormitettua hitsattua koteloprofiilipuomia. Vääntökuormitus aiheuttaa koteloprofiiliin vinouttavan voimasysteemin, joka aiheuttaa kotelopalkkiin sekä poikittaisia taivutusjännityksiä että pitkittäisiä jännityksiä. Vinoutumisen aiheuttamia lisära-situksia on tutkittu analyyttisesti BEF-analogian avulla sekä elementtimenetelmää apuna käyttäen. Lisäksi vääntökuormitus aiheuttaa puomiin estetyn väännön jännityksiä. Väsymiskestoikää tutkittiin laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden avulla sekä las-kennallisesti. Kestoikälaskennassa käytettiin tehollisen lovijännityksen menetelmää hitsin juuren puolen väsymisen arvioinnissa sekä hot spot- jännityksen menetelmää hitsin rajavii-van väsymisen arvioinnissa. Teholliset lovijännitykset sekä hot spot jännitykset ovat määri-tetty elementtimenetelmän avulla. Laboratoriokokeiden ja elementtimenetelmä laskennan perusteella saatiin rakenteen kes-toiän kannalta kriittiset detaljit määritettyä. Kriittiset detaljit sijaitsevat puomin päädyn rakenteissa. Tutkimuksessa saatiin selville, että kriittisten detaljien rakenteellisilla ja valmis-tusteknisillä ratkaisuilla on merkittävä vaikutus lopullisen tuotteen väsymiskestoikään.

Tulevaisuuden työkonepuomin globaali optimointi -esiselvitys

Monitavoiteoptimointia käytetään laajasti auto- ja lentokoneteollisuudessa suunnittelun apu-välineenä, mutta muuten sen käyttö ei ole vielä yleistynyt laajemmin. Tässä työssä on tarkoi-tus tehdä laaja esiselvitys monitavoiteoptimoinnista ja sen hyödyntämisestä työkonepuomien suunnittelun apuvälineenä. Työ tehtiin yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja projektiin osallistuvien FIMA ry:n jäsenten kanssa. Tulosten ja johtopäätösten perusteella tutkimusta tullaan mahdollisesti jatkamaan Tampereen teknillisen yliopiston tohtorikoulussa. Työssä selvitettiin mitä monitavoiteoptimoinnilla tarkoitetaan ja esitellään sen etenemisvai-heet. Lisäksi työssä esitellään lyhyesti kuusi monitavoiteoptimointiohjelmistoa pääominai-suuksineen sekä selvitetään ohjelmistolisenssien hintoja. Työssä optimointiin perehdyttiin teleskooppipuomin jatkoksen case -tutkimuksen avulla. Ni-velpuomit ja nivel- ja teleskooppipuomien yhdistelmät rajattiin työn ulkopuolelle. Työssä muodostettiin teleskooppipuomin jatkoksen poikkileikkauksen optimointityökalu. Sen avulla voidaan laskea luotettavasti optimit mitat painon suhteen niin, että lommahdusrajoitteet, tai-vutusvastus sekä taipuma otetaan huomioon ja samalla voitiin arvioida optimointiprosessin etuja ja haittoja. Optimoinnin tuloksia voidaan käyttää edelleen monitavoiteoptimoinnin lähtö-arvoina. Optimointi tehtiin Matlabin avulla ja tulokset verifioitiin AGIFAP -elementtimenetelmäohjelmistolla. Optimoituja tuloksia tutkittiin edelleen Femap -elementtimenetelmäohjelmistolla, jolla haettiin vuorovaikutussuhteita monitavoiteoptimoinnin tueksi. FE -analyysien avulla muodostettiin kaksi apuohjelmaa optimoinnin tueksi. Työssä havaittiin, että teleskooppipuomin jatkoksen optimointi vaatii FE -analyysiohjelmiston rinnalleen, jotta voidaan varmistua rakenteen kestävyydestä ja optimoida väsymiskestävyyt-tä. Liukupalojen vaikutus teleskooppipuomin käytökseen sekä väsymiskestävyyden optimoin-ti vaatii jatkotutkimusta.

Meesauunin kannatuksien suunnittelutyökalun kehitys

Meesauunia käytetään sellun tuotantoprosessissa kemiallisessa reaktiossa, jossa kalsiumkarbonaatti muutetaan kalsiumoksidiksi. Reaktio on osa sellutehtaan kemikaalikiertoa, missä sellun valmistamisessa käytettävät kemikaalit kierrätetään uusiokäyttöön. Tässä diplomityössä on kehitetty meesauunin kannatusten automatisoitu suunnittelutyökalu vanhan AutoLispillä kehitetyn ohjelman perusteella. Kehitetyn suunnittelutyökalun tärkeimmät osat ovat Excelissä tehdyt kuormituslaskenta ja mitoituslaskenta. Näillä ohjataan Autodeskin Inventoriin kehitettyä cad-mallia ja valmistuspiirustusta. Laskentaohjelmat ja cad-malli on kehitetty mahdollistamaan uusien uunikokojen helpon lisäämisen ohjelmaan. Diplomityössä on perehdytty kuormituslaskentaan standardien mukaisesti. Käytettyjä standardeja ovat esimerkiksi Eurokoodi ja Uniform Building Code. Epätavallisten tilanteiden kuormituslaskennassa käytettiin apuna FE-analyysilla kehitettyjä laskentamalleja. Näitä käytettiin uunin taipumisesta aiheutuvien voimien laskennassa ja lovetun kannatinpyörän aiheuttamien impulssivoimien suuruuden määrittämisessä. Lisäksi diplomityössä perehdyttiin suunnitteluautomaatin kehittämiseen Exceliä apuna käyttäen. Suunnittelutyökalun toimivuutta on verifioitu suunnittelemalla kehitetyllä suunnittelutyökalulla standardiuuneja ja verrattu tuloksia ja valmistuspiirustuksia vanhalla ohjelmalla tulostettuihin tuloksiin. Tulosten perusteella uutta suunnittelutyökalua voidaan käyttää meesauunin kannatuksien suunnitteluun.

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.

Uumajäykistetyt sandwich-rakenteet

Tässä työssä tutkittiin uumajäykistettyä sandwich-rakennetta. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää kuormitetulle uumajäykistetylle sandwich-elementille taipuman analyyttinen laskentamenetelmä. Sellaisen kehitykselle oli tarve, koska kyseisen tyyppiselle sandwich-rakennetyypille ei ole standardisoitua taipuman laskentamenetelmää. Uumajäykistetyn sandwich-elementin taipuma on kiinnostava, koska käyttörajatilan mukainen taipumaraja on tärkein rakennetta mitoittava tekijä. Työn soveltavassa osiossa kehitettiin uumajäykistetyn sandwich-elementin taipuman analyyttinen laskentamenetelmä. Taipuman analyyttinen laskentamenetelmä kehitettiin sandwich-palkkiteorian perusteella. Keskeisimpiä ongelmia oli uumajäykisteiden taivutus- ja leikkausjäykkyyden huomioonottaminen laskennassa. Analyyttisen laskennan tuloksia verrattiin uumajäykistetylle sandwich-elementille suoritettujen taivutuskokeiden tuloksiin sekä FE-analyysin tuloksiin. Tutkimustulosten perusteella voitiin todeta kehitetyn uumajäykistetyn sandwich-elementin taipuman analyyttisen laskentamenetelmän soveltuvan taipuman laskentaan tutkitulle uumajäykistetylle sandwich-elementille. Laskentamenetelmän luotettavuuden ja toimivuusrajojen määrittämiseksi uumajäykistetty sandwich-rakenne vaatii jatkotutkimuksia.

Kylmälaitekoneikon runkorakenteen kehittäminen

Kylmälaitekoneikot ovat kylmäkomponentteja sisältäviä rakenteita, joiden avulla toteutetaan suurten tilojen, kuten elintarvikemyymälöiden sisäilman jäähdytys. Lisäksi koneikkojen avulla jäähdytetään matalampiin lämpötiloihin pienempiä kylmähuoneita. Osa koneikoista ottaa talteen kylmäprosessissa syntyvän lämmön, jota hyödynnetään tilojen lämmityksessä. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja mitoittaa kahdeksalle eri kylmälaitekoneikolle entistä kustannustehokkaammat runkorakenteet, jotka ovat niin kestäviä, että koneikkoja on mahdollista pinota tilan säästämiseksi kolme päällekkäin. Lisäksi runkorakenteilta vaadittiin helppoa kuljetettavuutta, hyviä kiinnitysominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä. Aluksi työssä selvitettiin runkorakenteisiin kohdistuvat vaatimukset, jonka jälkeen materiaalin valinta tehtiin materiaaliin kohdistuvien vaatimusten perusteella. Rakenteiden palkit mitoitettiin tarvittavan taivutusvastuksen ja kiepahduksen mukaan. Pilarit puolestaan mitoitettiin nurjahduksen ja kaksiaksiaalisen taivutustilan perusteella. Tämän jälkeen mitoitettiin eri sauvojen väliset hitsi- ja ruuviliitokset siten, että rakenne hajoaa ylikuormitustilanteessa mahdollisimman turvallisesti. Työssä tehdyt laskelmat varmennettiin elementtimenetelmän avulla ja lopullisille rakenteille tehtiin elementtimenetelmällä vielä ominaistaajuusanalyysejä. Lopuksi työssä suunniteltiin runkorakenteille sopiva korroosionsuojaus.

Spectral analysis of the electromyograph of the erector spinae muscle before and after a dynamic manual load-lifting test

The aim of the present study was to assess the spectral behavior of the erector spinae muscle during isometric contractions performed before and after a dynamic manual load-lifting test carried out by the trunk in order to determine the capacity of muscle to perform this task. Nine healthy female students participated in the experiment. Their average age, height, and body mass (± SD) were 20 ± 1 years, 1.6 ± 0.03 m, and 53 ± 4 kg, respectively. The development of muscle fatigue was assessed by spectral analysis (median frequency) and root mean square with time. The test consisted of repeated bending movements from the trunk, starting from a 45º angle of flexion, with the application of approximately 15, 25 and 50% of maximum individual load, to the stand up position. The protocol used proved to be more reliable with loads exceeding 50% of the maximum for the identification of muscle fatigue by electromyography as a function of time. Most of the volunteers showed an increase in root mean square versus time on both the right (N = 7) and the left (N = 6) side, indicating a tendency to become fatigued. With respect to the changes in median frequency of the electromyographic signal, the loads used in this study had no significant effect on either the right or the left side of the erector spinae muscle at this frequency, suggesting that a higher amount and percentage of loads would produce more substantial results in the study of isotonic contractions.

Ristinivel nelivalssaimen voimansiirrossa

Nelivalssaimia käytetään yleisesti metallinauhojen ja -levyjen kylmämuovaukseen. Valssaimissa ristinivel siirtää vääntömomenttia kahden kulmassa olevan akselin välillä. Tässä tutkimuksessa haettiin ratkaisuja nelivalssaimessa esiintyvään epäsymmetriseen taivutustarpeeseen. Valssattavat kuparinauhat alkavat aaltoilla valssaajan puolelta noin yhden millimetrin paksuudessa. Tutkimuksen tarkastelu rajattiin koskemaan vain voimansiirrossa olevaa ristiniveltä, jonka epäiltiin olevan yksi mahdollinen ongelman aiheuttaja. Tutkimuksessa selvisi, että ristinivel ei aiheuta pystysuuntaisia voimia, jotka vaikuttaisivat suoraan nauhan poikkipintaprofiiliin. Kuitenkin ristinivelen aiheuttamat vaakasuuntaiset voimat voivat vaikuttaa epäsuorasti nauhan poikkipintaprofiiliin. Laatupoikkeamien taloudellinen merkitys havaittiin pieneksi, mutta myöhemmissä prosessivaiheissa kuparinauhan epäsymmetrinen poikkipintaprofiili aiheutti ongelmia.

Narrow Gap flux-cored arc welding of high strength shipbuilding steels

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project. The research of the thesis was done in cooperation with Arctech Helsinki Shipyard, Lappeenranta University of Technology and Kemppi Oy. Focus of the thesis was to study narrow gap flux-cored arc welding of two high strength steels with three different groove angles of 20°, 10° and 5°. Welding of the 25 mm thick E500 TMCP and 10 mm thick EH36 steels was mechanized and Kemppi WisePenetration and WiseFusion processes were tested with E500 TMCP steel. EH36 steel test pieces were welded without Wise processes. Shielding gases chosen were carbon dioxide and a mixture of argon and carbon dioxide. Welds were tested with non-destructive and destructive testing methods. Radiographic, visual, magnetic particle and liquid penetrant testing proved that welds were free from imperfections. After non-destructive testing, welds were tested with various destructive testing methods. Impact strength, bending, tensile strength and hardess tests proved that mechanized welding and Wise processes produced quality welds with narrower gap. More inconsistent results were achieved with test pieces welded without Wise processes. Impact test results of E500 TMCP exceeded the 50 J limit on weld, set by Russian Maritime Register of Shipping. EH36 impact test results were much closer to the limiting values of 34 J on weld and 47 on HAZ. Hardness values of all test specimens were below the limiting values. Bend testing and tensile testing results fulfilled the the Register requirements. No cracking or failing occurred on bend test specimens and tensile test results exceeded the Register limits of 610 MPa for E500 TMCP and 490 MPa for EH36.

Biomechanics and structural adaptations of the rat femur after hindlimb suspension and treadmill running

We microscopically and mechanically evaluated the femurs of rats subjected to hindlimb unloading (tail suspension) followed by treadmill training. Female Wistar rats were randomly divided into five groups containing 12-14 rats: control I (118 days old), control II (139 days old), suspended (tail suspension for 28 days), suspended-released (released for 21 days after 28 days of suspension), and suspended-trained (trained for 21 days after 28 days of suspension). We measured bone resistance by bending-compression mechanical tests of the entire proximal half of the femur and three-point bending tests of diaphyseal cortical bone. We determined bone microstructure by tetracycline labeling of trabecular and cortical bone. We found that tail suspension weakened bone (ultimate load = 86.3 ± 13.5 N, tenacity modulus = 0.027 ± 0.011 MPa·m vs ultimate load = 101.5 ± 10.5 N, tenacity modulus = 0.019 ± 0.006 MPa·m in control I animals). The tenacity modulus for suspended and released animals was 0.023 ± 0.010 MPa·m vs 0.046 ± 0.018 MPa·m for trained animals and 0.035 ± 0.010 MPa·m for control animals. These data indicate that normal activity and training resulted in recovered bone resistance, but suspended-released rats presented femoral head flattening and earlier closure of the growth plate. Microscopically, we found that suspension inhibited new bone subperiosteal and endosteal formation. The bone disuse atrophy secondary to hypoactivity in rats can be reversed by an early regime of exercising, which is more advantageous than ordinary cage activities alone.

Diabetes mellitus affects the biomechanical function of the callus and the expression of TGF-beta1 and BMP2 in an early stage of fracture healing

Transforming growth factor beta 1 (TGF-β1) and bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) are important regulators of bone repair and regeneration. In this study, we examined whether TGF-β1 and BMP-2 expressions were delayed during bone healing in type 1 diabetes mellitus. Tibial fractures were created in 95 diabetic and 95 control adult male Wistar rats of 10 weeks of age. At 1, 2, 3, 4, and 5 weeks after fracture induction, five rats were sacrificed from each group. The expressions of TGF-β1 and BMP2 in the fractured tibias were measured by immunohistochemistry and quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction, weekly for the first 5 weeks post-fracture. Mechanical parameters (bending rigidity, torsional rigidity, destruction torque) of the healing bones were also assessed at 3, 4, and 5 weeks post-fracture, after the rats were sacrificed. The bending rigidity, torsional rigidity and destruction torque of the two groups increased continuously during the healing process. The diabetes group had lower mean values for bending rigidity, torsional rigidity and destruction torque compared with the control group (P<0.05). TGF-β1 and BMP-2 expression were significantly lower (P<0.05) in the control group than in the diabetes group at postoperative weeks 1, 2, and 3. Peak levels of TGF-β1 and BMP-2 expression were delayed by 1 week in the diabetes group compared with the control group. Our results demonstrate that there was a delayed recovery in the biomechanical function of the fractured bones in diabetic rats. This delay may be associated with a delayed expression of the growth factors TGF-β1 and BMP-2.