Designing a new type of support for rotary kilns

Lime kiln is used as a part of the modern kraft pulp process in order to produce burnt lime from lime mud. This rotating kiln is supported by support rollers, which are traditionally supported by journal bearings. Since the continuous growth in the production of pulp mills requires larger lime kilns, the traditional bearing construction has become unreliable. The main problem especially involves the running-in phase of the bearings. In the present thesis, a new type of support roller was developed by using the systematic approach of machine design. Structural analysis was conducted on the critical parts of the selected structure by the finite element method. The operation of hydrodynamic bearings was examined by analytical methods. As a result of this work, a new type of support for rotating kilns was designed, which is more reliable and easier to service. A new support roller geometry is described, which pro¬vides for significant cost savings.

Eri laskentamenetelmien vertailu hitsatun rakenteen väsymislaskennassa

Tässä työssä tutkittiin eri mitoitusmenetelmien soveltuvuutta hitsattujen rakenteiden vä-symislaskennassa. Käytetyt menetelmät olivat rakenteellinen jännityksen menetelmä, te-hollisen lovijännityksen menetelmä ja murtumismekaniikka. Lisäksi rakenteellisen jänni-tyksen määrittämiseksi käytettiin kolmea eri menetelmää. Menetelmät olivat pintaa pitkin ekstrapolointi, paksuuden yli linearisointi ja Dongin menetelmä. Väsymiskestävyys määritettiin kahdelle hitsiliitoksen yksityiskohdalle. Laskenta tehtiin käyttäen elementtimenetelmää rakenteen 3D-mallille. Tutkittavasta aggregaattirungosta oli olemassa FE-malli mutta alimallinnustekniikkaa hyödyntämällä pystyttiin yksityiskohtai-semmin tutkimaan vain pientä osaa koko rungon mallista. Rakenteellisen jännityksen menetelmä perustuu nimellisiin jännityksiin. Kyseinen mene-telmä ei vaadi geometrian muokkausta. Yleensä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytetään hitsin rajaviivan väsymislaskennassa, mutta joissain tapauksissa sitä on käytetty juuren puolen laskennassa. Tässä työssä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytettiin myös juuren puolen tutkimisessa. Tehollista lovijännitystä tutkitaan mallintamalla 1 mm fiktiiviset pyöristykset sekä rajaviivalle että juuren puolelle. Murtumismekaniikan so-veltuvuutta tutkittiin käyttämällä Franc2D särön kasvun simulointiohjelmaa. Väsymislaskennan tulokset eivät merkittävästi poikkea eri laskentamenetelmien välillä. Ainoastaan rakenteellisen jännityksen Dongin menetelmällä saadaan poikkeavia tuloksia. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että menetelmän laskentaetäisyydestä ei ole tietoa. Raken-teellisen jännityksen menetelmällä, tehollisen lovijännityksen menetelmällä ja murtumis-mekaniikalla saadaan samansuuntaiset tulokset. Suurin ero menetelmien välillä on mal-linnuksen ja laskennan vaatima työmäärä.

Be-Fe coupled method for the analysis of 3D elastodynamic problems in the time domain

By coupling the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM) an algorithm that combines the advantages of both numerical processes is developed. The main aim of the work concerns the time domain analysis of general three-dimensional wave propagation problems in elastic media. In addition, mathematical and numerical aspects of the related BE-, FE- and BE/FE-formulations are discussed. The coupling algorithm allows investigations of elastodynamic problems with a BE- and a FE-subdomain. In order to observe the performance of the coupling algorithm two problems are solved and their results compared to other numerical solutions.

Modal testing and numerical modeling of the dynamic properties of layered sheet-steel structure

Recently, due to the increasing total construction and transportation cost and difficulties associated with handling massive structural components or assemblies, there has been increasing financial pressure to reduce structural weight. Furthermore, advances in material technology coupled with continuing advances in design tools and techniques have encouraged engineers to vary and combine materials, offering new opportunities to reduce the weight of mechanical structures. These new lower mass systems, however, are more susceptible to inherent imbalances, a weakness that can result in higher shock and harmonic resonances which leads to poor structural dynamic performances. The objective of this thesis is the modeling of layered sheet steel elements, to accurately predict dynamic performance. During the development of the layered sheet steel model, the numerical modeling approach, the Finite Element Analysis and the Experimental Modal Analysis are applied in building a modal model of the layered sheet steel elements. Furthermore, in view of getting a better understanding of the dynamic behavior of layered sheet steel, several binding methods have been studied to understand and demonstrate how a binding method affects the dynamic behavior of layered sheet steel elements when compared to single homogeneous steel plate. Based on the developed layered sheet steel model, the dynamic behavior of a lightweight wheel structure to be used as the structure for the stator of an outer rotor Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator designed for high-power wind turbines is studied.

Sähkökoneessa esiintyvien voimien yksityiskohtainen mittausjärjestelmä

Hissiteollisuudessa nostokoneistoina käytettyjen sähkömoottoreiden laatuvaatimukset ovat tiuken-tuneet viime vuosina. Erityisesti koneistojen tuottama ääni ja mekaaninen värähtely ovat olleet jat-kuvasti tiukentuneen tarkastelun alaisena. Hissikoriin ja hissiä ympäröiviin rakenteisiin välittyvästä värähtelystä johtuva ääni on yksi hissin laatuvaikutelmaan merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä. Nostokoneisto on yksi tärkeimmistä äänen ja värähtelyn lähteistä hissijärjestelmässä. Koneiston suunnittelulla edellä mainittuja tekijöitä voidaan minimoida. Sähkökoneiden suunnittelussa finiit-tielementtimenetelmien (FEM) käyttö on vakiintunut haastavimmissa sovelluksissa. Kone Oyj:llä nostokoneistoina käytetään aksiaalivuokestomagneettitahtikoneita (AFPMSM), joiden FEM simu-lointiin käytetään yleisesti kolmea eri tapaa. Kukin näistä vaihtoehdoista pitää sisällään omat hyö-tynsä, että haittansa. Suunnittelun kannalta tärkeää on oikean menetelmän valinta ai-ka/informatiivisuus suhteen maksimoimiseksi. Erittäin tärkeää on myös saatujen tulosten oikeelli-suus. Tämän diplomityön tavoite on kehittää järjestelmä, jonka avulla AFPMS-koneen voimia voidaan mitata yksityiskohtaisella tasolla. Järjestelmän avulla voidaan tarkastella käytössä olevien FE-menetelmien tulosten oikeellisuutta sekä äänen että värähtelyn syntymekanismeja. Järjestelmän tarkoitus on myös syventää Kone Oyj tietotaitoa AFPMS-koneiden toiminnasta. Tässä työssä esitellään AFPMS-koneen epäideaalisuuksia, jotka voivat vaikuttaa mittajärjestelmän suunnitteluun. Myös koneen epäideaalisuuksiin lukeutuvaa ääntä on tarkasteltu tässä työssä. Jotta työn tavoitteiden mukaista FE-menetelmien vertailua ja tulosten oikeellisuuden tarkastelua voitai-siin tehdä, myös yleisimpiä AFPMS-koneen FE-menetelmiä tarkastellaan. Työn tuloksena on mittajärjestelmän suunnitelma, jonka avulla voidaan toteuttaa kuuden vapausas-teen voimamittaus jokaiselle koneistomagneetille alle 1N resoluutiolla. Suunnitellun järjestelmän toimivuutta on tarkasteltu FE-menetelmiä käyttäen ja järjestelmässä käytettävän voima-anturin ky-vykkyyttä on todennettu referenssimittauksin. Suunniteltu mittajärjestelmä mahdollistaa sähkömoottorin useiden eri epäideaalisuuksien tarkaste-lun yksityiskohtaisella tasolla. Mittausajatuksen soveltaminen myös muiden koneiden tutkimiseen tarjoaa mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Stresses of a boat trailer

In this thesis work, a strength analysis is made for a boat trailer. The studied trailer structure is manufactured from Ruukki’s structural steel S420. The main focus in this work is in the trailer’s frame. The investigation process consists two main stages. These stages are strain gage measurements and finite elements analysis. Strain gage measurements were performed to the current boat trailer in February 2015. Static durability and fatigue life of the trailer are analyzed with finite element analysis and with two different materials. These materials are the current trailer material Ruukki’s structural steel S420 and new option material high strength precision tube Form 800. The main target by using high strength steel in a trailer is weight reduction. The applied fatigue analysis methods are effective notch stress and structural hot spot stress approaches. The target of these strength analyses is to determine if it is reasonable to change the trailer material to high strength steel. The static strengths of the S420 and Form 800 trailers is sufficient. The fatigue strength of the Form 800 trailer is considerably lower than the fatigue strength of the S420 trailer. For future research, the effect of hot dip galvanization to the high strength steel has to be investigated. The effect of hot dip galvanization to the trailer is investigated by laboratory tests that are not included in this thesis.

Effect of loading type on the fatigue strength of symmetric and asymmetric welded joints made of ultra high strength steel

In this study, finite element analyses and experimental tests are carried out in order to investigate the effect of loading type and symmetry on the fatigue strength of three different non-load carrying welded joints. The current codes and recommendations do not give explicit instructions how to consider degree of bending in loading and the effect of symmetry in the fatigue assessment of welded joints. The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied. Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant.

Sellumassan varastosäiliön rakenneanalyysi

Tämä työ käsittelee valkaistun ja valkaisemattoman sellumassan varastosäiliön tärinää ja värähtelyä. Värähtelyn seurauksena säiliön seinämän jäykisterenkaan hitsausliitokseen on syntynyt särö. Työn tavoitteena on selvittää, mikä johtaa särön syntyyn ja miten kestäväm-piä varastosäiliöitä voidaan rakentaa materiaali-, valmistus- tai rakennemuutoksien avulla. Työ alkoi tutkimalla rakennemateriaalina olevan duplex-teräksen mikrorakenteen ominai-suuksia, sekä sen hitsattavuutta ja seostamista kirjallisuustutkimuksena. Kirjallisuustutki-musta jatkettiin selvittämällä mahdollisia vaurion syntymekanismeja seinämän särölle. Työssä analysoitiin myös tehtaalla mitattuja värähtelyarvoja. Lopuksi laskettiin FE-analyysillä tyhjän varastosäiliön ominaismuodot ja -taajuudet moodianalyysillä, sekä selvi-tettiin harmonisella analyysillä pinnankorkeuden vaihtelun vaikutus siirtymävasteeseen ja kriittisiin värähtelytaajuuksiin. Varastosäiliöön kohdistuvaa värähtelyä ei ole mahdollista poistaa kokonaan, mutta väräh-telyn aiheuttamia seurauksia kyetään rajaamaan useilla keinoilla. Toimenpiteinä voivat olla ainakin seinämän materiaalin paksuuden lisääminen, jäykisteripojen lisääminen ja kriittisten sellun pinnankorkeuksien välttäminen. Kriittiseksi pinnankorkeudeksi havaittiin 40–45 %:n täyttöaste ja turvalliseksi korkeudeksi 35–38 %:n täyttöaste. Varastosäiliölle kriittisen ominaistaajuuden katsotaan syntyvän taajuuksilla 3,3–3,8 Hz ja 5,8–6,4 Hz. Sellumassa putoaa varastosäiliöön noin 2 Hz taajuudella.

A Galerkin boundary element method for high frequency scattering by convex polygons

In this paper we consider the problem of time-harmonic acoustic scattering in two dimensions by convex polygons. Standard boundary or finite element methods for acoustic scattering problems have a computational cost that grows at least linearly as a function of the frequency of the incident wave. Here we present a novel Galerkin boundary element method, which uses an approximation space consisting of the products of plane waves with piecewise polynomials supported on a graded mesh, with smaller elements closer to the corners of the polygon. We prove that the best approximation from the approximation space requires a number of degrees of freedom to achieve a prescribed level of accuracy that grows only logarithmically as a function of the frequency. Numerical results demonstrate the same logarithmic dependence on the frequency for the Galerkin method solution. Our boundary element method is a discretization of a well-known second kind combined-layer-potential integral equation. We provide a proof that this equation and its adjoint are well-posed and equivalent to the boundary value problem in a Sobolev space setting for general Lipschitz domains.

A high-order arbitrarily unstructured finite-volume model of the global atmosphere: tests solving the shallow-water equations

Simulations of the global atmosphere for weather and climate forecasting require fast and accurate solutions and so operational models use high-order finite differences on regular structured grids. This precludes the use of local refinement; techniques allowing local refinement are either expensive (eg. high-order finite element techniques) or have reduced accuracy at changes in resolution (eg. unstructured finite-volume with linear differencing). We present solutions of the shallow-water equations for westerly flow over a mid-latitude mountain from a finite-volume model written using OpenFOAM. A second/third-order accurate differencing scheme is applied on arbitrarily unstructured meshes made up of various shapes and refinement patterns. The results are as accurate as equivalent resolution spectral methods. Using lower order differencing reduces accuracy at a refinement pattern which allows errors from refinement of the mountain to accumulate and reduces the global accuracy over a 15 day simulation. We have therefore introduced a scheme which fits a 2D cubic polynomial approximately on a stencil around each cell. Using this scheme means that refinement of the mountain improves the accuracy after a 15 day simulation. This is a more severe test of local mesh refinement for global simulations than has been presented but a realistic test if these techniques are to be used operationally. These efficient, high-order schemes may make it possible for local mesh refinement to be used by weather and climate forecast models.

A combined BIE-FE method for the Stokes equations

A numerical algorithm for the biharmonic equation in domains with piecewise smooth boundaries is presented. It is intended for problems describing the Stokes flow in the situations where one has corners or cusps formed by parts of the domain boundary and, due to the nature of the boundary conditions on these parts of the boundary, these regions have a global effect on the shape of the whole domain and hence have to be resolved with sufficient accuracy. The algorithm combines the boundary integral equation method for the main part of the flow domain and the finite-element method which is used to resolve the corner/cusp regions. Two parts of the solution are matched along a numerical ‘internal interface’ or, as a variant, two interfaces, and they are determined simultaneously by inverting a combined matrix in the course of iterations. The algorithm is illustrated by considering the flow configuration of ‘curtain coating’, a flow where a sheet of liquid impinges onto a moving solid substrate, which is particularly sensitive to what happens in the corner region formed, physically, by the free surface and the solid boundary. The ‘moving contact line problem’ is addressed in the framework of an earlier developed interface formation model which treats the dynamic contact angle as part of the solution, as opposed to it being a prescribed function of the contact line speed, as in the so-called ‘slip models’. Keywords: Dynamic contact angle; finite elements; free surface flows; hybrid numerical technique; Stokes equations.

Velocity-based moving mesh methods for nonlinear partial differential equations

This article describes a number of velocity-based moving mesh numerical methods formultidimensional nonlinear time-dependent partial differential equations (PDEs). It consists of a short historical review followed by a detailed description of a recently developed multidimensional moving mesh finite element method based on conservation. Finite element algorithms are derived for both mass-conserving and non mass-conserving problems, and results shown for a number of multidimensional nonlinear test problems, including the second order porous medium equation and the fourth order thin film equation as well as a two-phase problem. Further applications and extensions are referenced.

Energy consistent discontinuous Galerkin methods for the Navier–Stokes–Korteweg system

We design consistent discontinuous Galerkin finite element schemes for the approximation of the Euler-Korteweg and the Navier-Stokes-Korteweg systems. We show that the scheme for the Euler-Korteweg system is energy and mass conservative and that the scheme for the Navier-Stokes-Korteweg system is mass conservative and monotonically energy dissipative. In this case the dissipation is isolated to viscous effects, that is, there is no numerical dissipation. In this sense the methods are consistent with the energy dissipation of the continuous PDE systems. - See more at: http://www.ams.org/journals/mcom/2014-83-289/S0025-5718-2014-02792-0/home.html#sthash.rwTIhNWi.dpuf

Energy consistent discontinuous Galerkin methods for a quasi-incompressible diffuse two phase flow model

We design consistent discontinuous Galerkin finite element schemes for the approximation of a quasi-incompressible two phase flow model of Allen–Cahn/Cahn–Hilliard/Navier–Stokes–Korteweg type which allows for phase transitions. We show that the scheme is mass conservative and monotonically energy dissipative. In this case the dissipation is isolated to discrete equivalents of those effects already causing dissipation on the continuous level, that is, there is no artificial numerical dissipation added into the scheme. In this sense the methods are consistent with the energy dissipation of the continuous PDE system.

Discontinuous Galerkin methods for the p-biharmonic equation from a discrete variational perspective

We study discontinuous Galerkin approximations of the p-biharmonic equation for p∈(1,∞) from a variational perspective. We propose a discrete variational formulation of the problem based on an appropriate definition of a finite element Hessian and study convergence of the method (without rates) using a semicontinuity argument. We also present numerical experiments aimed at testing the robustness of the method.