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.

Metsäkoneen kouran ja hakkuupään pikavaihdon kehittäminen

Yhdistelmämetsäkone on metsäkone, jota voidaan käyttää sekä hakkuukoneena että kuormatraktorina. Konetta voidaan käyttää sekä puiden kaatamiseen, karsimiseen ja katkomiseen että puiden kuormaamiseen ja kuljettamiseen. Tässä diplomityössä suunnitellaan uusi kouran ja hakkuupään pikalukitusmekanismi yhdistelmämetsäkoneen kuormaimeen. Suunnittelutyössä edetään vaiheittain järjestelmällisen tuotesuunnittelun periaatteiden mukaisesti. Tärkeimpänä tavoitteena suunnittelutyönsä on nopeuttaa kouran vaihtoa ja helpottaa kuljettajan työtä. Suunnittelutyön alkuvaiheessa etsitään lukitusmekanismille useita eri ratkaisuvaihtoehtoja, joista valitaan paras jatkokehitykseen. Valittua ratkaisuvaihtoehtoa kehitetään simulointia ja elementtimenetelmälaskentaa apuna käyttäen.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

Kestomagneettikoneen roottorin väsymisanalyysi

Työn tavoitteena oli luoda työkalu kestomagneettikoneiden roottoreiden väsymisen analysointia varten. Työkalu toteutettiin siten, että siihen voidaan liittää oikeasta koneesta mitattu kuormitusdata, sekä tarvittavat materiaalitiedot. Kuormitusdata muunnetaan työkalussa jännityshistoriaksi käyttämällä elementtimenetelmän avulla laskettavaa skaalauskerrointa. Kestoiän laskemiseen analyysityökalu käyttää jännitykseen perustuvaa menetelmää sekä rainflowmenetelmää ja Palmgren-Minerin kumulatiivista vauriosääntöä. Lisäksi työkalu tekee tutkittavalle tapaukselle Smithin väsymislujuuspiirroksen. Edellä mainittujen menetelmien lisäksi työn teoriaosassa esiteltiin väsymisanalyysimenetelmistä myös paikalliseen venymään perustuva menetelmä sekä murtumismekaniikka. Nämä menetelmät jäivät monimutkaisuutensa vuoksi toteuttamatta työkalussa. Väsymisanalyysityökalulla laskettiin kestoiät kahdelle esimerkkitapaukselle. Kummassakin tapauksessa saatiin tulokseksi ääretön kestoikä, mutta aksiaalivuokoneen roottorin dynaaminen varmuus oli pieni. Vaikka tulokset vaikuttavat järkeviltä, ne olisi vielä hyvä verifioida esimerkiksi kaupallisen ohjelmiston avulla täyden varmuuden saamiseksi.

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.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Numerical evaluation of the modulus of longitudinal elasticity in structural round timber elements of the Eucalyptus genus

Currently, the standards that deal with the determination of the properties of rigidity and strength for structural round timber elements do not take in consideration in their calculations and mathematical models the influence of the existing irregularities in the geometry of these elements. This study has as objective to determine the effective value of the modulus of longitudinal elasticity for structural round timber pieces of the Eucalyptus citriodora genus by a technique of optimization allied to the Inverse Analysis Method, to the Finite Element Method and the Least Square Method.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

Fatigue study of the fillet weld waving on weld toe and the penetration in the weld root based on the effective notch stress approach

The fatigue failure of structures under fluctuating loads in fillet weld joints raises a demand to determine the parameters related to this type of loading. In this study, the stress distribution in the susceptible area of weld toe and weld root in fillet welded models analyzed by finite element method applying FEMAP software. To avoid the geometrical singularity on the path of analytical stress analysis in the toe and root area of a weld model the effective notch stress approach applied by which a proper fictitious rounding that mostly depend on the material of structure is applied. The models with different weld toe waving width and radius are analyzed while the flank angle of weld varied in 45 and 30 degrees. The processed results shows that the waving compare to the straight weld toe makes differences in the value of stress and consequently the stress concentration factor between the tip and depth of the waves in the weld toe which helps to protect the crack of propagation and gives enough time and tools to be informed of the crack initiation in the structure during the periodical observation of structure. In the weld root study the analyses among the models with the welding penetration percentage from non-penetration to the full-penetration shows a slightly increase in the root area stress value which comparing with the stiffening effect of penetration conclude that the half-penetration can make an optimization between the stress increase and stiffening effect of deep penetration.

Simulation of structural stress history based on dynamic analysis

Modern machine structures are often fabricated by welding. From a fatigue point of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical amount of computational effort. The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed up the product development process. Also, to take operator influence into account, real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required. This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed during dynamic simulation. The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural detail during or after dynamic simulation. In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed approach in practice. The results show that approach is applicable and can be used as proposed.

Liikkuvan kivimurskaimen syötinosan rakenneanalyysi osarakennetekniikan avulla

Työn tarkoituksena oli selvittää, miten osarakennetekniikkaa voidaan soveltaa siirrettävän kivimurskaimen syötinosan simuloinnissa. Tätä tutkittiin luomalla kahdella eri ohjelmistolla simulaatiomalli syötinosasta ja mallintamalla syötinosan runko joustavaksi kappaleeksi osarakennetekniikan avulla. Luotujen simulointimallien tarkkuutta selvitettiin vertaamalla niistä saatuja rungon jännityksiä tutkittavan rakenteen rungosta mitattuihin jännityksiin. Työn tarkoituksena oli myös tutkia, miten hyvin simulaatiomallit soveltuvat käytettäväksi syötinosan tuotekehityksessä. Tässä työssä käytettiin syötinosan simulaatiomallin luomiseen ANSYS-ohjelmistoa ja ADAMS-ohjelmistoa. Simulaatiomalleihin lisättiin tutkittavasta järjestelmästä mitattu ohjaussignaali sekä syötinosan jousien arvot. Järjestelmän rakenneominaisuudet saatiin suoraan valmistajan luovuttamista tiedoista. ADAMS-ohjelmistolla mallinnetussa simulaatiomallissa runko mallinnettiin joustavaksi ANSYS-ohjelmistossa, josta se siirrettiin ADAMS-ohjelmistoon. Saaduista tuloksista kävi ilmi, että osarakennetekniikkaa voidaan hyödyntää syötinosan joustavan rungon simuloinnissa. Tutkittavasta järjestelmästä mitatuissa jännityksissä ja simulaatiomalleista saaduissa jännityksissä oli eroja, mutta jännityshistorian muodot ja suuruusluokat vastasivat pääosin toisiaan. Tulosten parantamiseksi tulee selvittää lisää alkuarvoja tutkittavasta järjestelmästä ja varmistua nyt saatujen jousiparametrien oikeellisuudesta.

Non-linear analysis of laminated metal matrix composites by an integrated micro/macro-mechanical model

The present paper describes an integrated micro/macro mechanical study of the elastic-viscoplastic behavior of unidirectional metal matrix composites (MMC). The micromechanical analysis of the elastic moduli is based on the Composites Cylinder Assemblage model (CCA) with comparisons also draw with a Representative Unit Cell (RUC) technique. These "homogenization" techniques are later incorporated into the Vanishing Fiber Diameter (VFD) model and a new formulation is proposed. The concept of a smeared element procedure is employed in conjunction with two different versions of the Bodner and Partom elastic-viscoplastic constitutive model for the associated macroscopic analysis. The formulations developed are also compared against experimental and analytical results available in the literature.

Object-oriented Programming Applied to the Development of Structural Analysis and Optimization Software

This paper presents the development of a two-dimensional interactive software environment for structural analysis and optimization based on object-oriented programming using the C++ language. The main feature of the software is the effective integration of several computational tools into graphical user interfaces implemented in the Windows-98 and Windows-NT operating systems. The interfaces simplify data specification in the simulation and optimization of two-dimensional linear elastic problems. NURBS have been used in the software modules to represent geometric and graphical data. Extensions to the analysis of three-dimensional problems have been implemented and are also discussed in this paper.

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).