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.

Acidic dissolution of iron oxides and regeneration of a ceramic filter medium

The dewatering of iron ore concentrates requires large capacity in addition to producing a cake with low moisture content. Such large processes are commonly energy intensive and means to lower the specific energy consumption are needed. Ceramic capillary action disc filters incorporate a novel filter medium enabling the harnessing of capillary action, which results in decreased energy consumption in comparison to traditional filtration technologies. As another benefit, the filter medium is mechanically and chemically more durable than, for example, filter cloths and can, thus, withstand harsh operating conditions and possible regeneration better than other types of filter media. In iron ore dewatering, the regeneration of the filter medium is done through a combination of several techniques: (1) backwashing, (2) ultrasonic cleaning, and (3) acid regeneration. Although it is commonly acknowledged that the filter medium is affected by slurry particles and extraneous compounds, published research, especially in the field of dewatering of mineral concentrates, is scarce. Whereas the regenerative effect of backwashing and ultrasound are more or less mechanical, regeneration with acids is based on chemistry. The chemistry behind the acid regeneration is, naturally, dissolution. The dissolution of iron oxide particles has been extensively studied over several decades but those studies may not necessarily be directly applicable in the regeneration of the filter medium which has undergone interactions with the slurry components. The aim of this thesis was to investigate if free particle dissolution indeed correlates with the regeneration of the filter medium. For this purpose, both free particle dissolution and dissolution of surface adhered particles were studied. The focus was on acidic dissolution of iron oxide particles and on the study of the ceramic filter medium used in the dewatering of iron ore concentrates. The free particle dissolution experiments show that the solubility of synthetic fine grained iron oxide particles in oxalic acid could be explained through linear models accounting for the effects of temperature and acid concentration, whereas the dissolution of a natural magnetite is not so easily explained by such models. In addition, the kinetic experiments performed both support and contradict the work of previous authors: the suitable kinetic model here supports previous research suggesting solid state reduction to be the reaction mechanism of hematite dissolution but the formation of a stable iron oxalate is not supported by the results of this research. Several other dissolution mechanisms have also been suggested for iron oxide dissolution in oxalic acid, indicating that the details of oxalate promoted reductive dissolution are not yet agreed and, in this respect, this research offers added value to the community. The results of the regeneration experiments with the ceramic filter media show that oxalic acid is highly effective in removing iron oxide particles from the surface of the filter medium. The dissolution of those particles did not, however, exhibit the expected behaviour, i.e. complete dissolution. The results of this thesis show that although the regeneration of the ceramic filter medium with acids incorporates the dissolution of slurry particles from the surface of the filter medium, the regeneration cannot be assessed purely based upon free particle dissolution. A steady state, dependent on temperature and on the acid concentration, was observed in the dissolution of particles from the surface even though the limit of solubility of free iron oxide particles had not been reached. Both the regeneration capacity and efficiency, with regards to the removal of iron oxide particles, was found to be temperature dependent, but was not affected by the acid concentration. This observation further suggests that the removal of the surface adhered particles does not follow the dissolution of free particles, which do exhibit a dependency on the acid concentration. In addition, changes in the permeability and in the pore structure of the filter medium were still observed after the bulk concentration of dissolved iron had reached a steady state. Consequently, the regeneration of the filter medium continued after the dissolution of particles from the surface had ceased. This observation suggests that internal changes take place at the final stages of regeneration. The regeneration process could, in theory, be divided into two, possibly overlapping, stages: (1) dissolution of surface-adhered particles, and (2) dissolution of extraneous compounds from within the pore structure. In addition to the fundamental knowledge generated during this thesis, tools to assess the effects of parameters on the regeneration of the ceramic filter medium are needed. It has become clear that the same tools used to estimate the dissolution of free particles cannot be used to estimate the regeneration of a filter medium unless only a robust characterisation of the order of regeneration efficiency is needed.

Applications and Benefits of Adaptive Pulsed GMAW

In ship and offshore terminal construction, welded cross sections are thick and the number of welds very high. Consequently, there are two aspects of great importance; cost and heat input. Reduction in the welding operation time decreases the costs of the work force and avoids excessive heat, preventing distortion and other weld defects. The need to increase productivity while using a single wire in the GMAW process has led to the use of a high current and voltage to improve the melting rate. Unfortunately, this also increases the heat input. Innovative GMAW processes, mostly implemented for sheet plate sections, have shown significant reduction in heat input (Q), low distortion and increase in welding speed. The aim of this study is to investigate adaptive pulsed GMAW processes and assess relevant applications in the high power range, considering possible benefits when welding thicker sections and high yield strength steel. The study experimentally tests the usability of adaptive welding processes and evaluates their effects on weld properties, penetration and shapes of the weld bead.The study first briefly reviews adaptive GMAW to evaluate different approaches and their applications and to identify benefits in adaptive pulsed. Experiments are then performed using Synergic Pulsed GMAW, WiseFusionTM and Synergic GMAW processes to weld a T-joint in a horizontal position (PB). The air gap between the parts ranges from 0 to 2.5 mm. The base materials are structural steel grade S355MC and filler material G3Si1. The experiment investigates heat input, mechanical properties and microstructure of the welded joint. Analysis of the literature reveals that different approaches have been suggested using advanced digital power sources with accurate waveform, current, voltage, and feedback control. In addition, studies have clearly indicated the efficiency of lower energy welding processes. Interest in the high power range is growing and a number of different approaches have been suggested. The welding experiments in this study reveal a significant reduction of heat input and a weld microstructure with the presence of acicular ferrite (AF) beneficial for resistance to crack propagation. The WiseFusion bead had higher dilution, due to the weld bead shape, and low defects. Adaptive pulse GMAW processes can be a favoured choice when welding structures with many welded joints. The total heat reduction mitigates residual stresses and the bead shape allows a higher amperage limit. The stability of the arc during the process is virtually spatter free and allows an increase in welding speed.

Rullaoikaisukoneen asetusarvojen laskeminen ja uuden oikaisukonekokonaisuuden määritys

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli nykyisin tuotantokäytössä olevan rullaoikaisukoneen automatisointi ja uuden oikaisukonekokonaisuuden mitoitus tulevaisuuden materiaaliominaisuuksien perusteella. Automatisoinnilla on tarkoitus nykyisessä käytössä helpottaa nauhahitsaajan työtä ja lähitulevaisuudessa optimoida romutustarvetta kelojen keula- ja häntäalueilla. Uuden oikaisukonekokonaisuuden osalta työssä on määritetty rullaoikaisukoneen rullakoot, rullien keskiöetäisyys, vaadittava moottoriteho ja rullien tuennan tarve sekä erillisen hilseenmurskaimen/rullavenytysoikaisukoneen tarve peittauslinjan toiminnassa. Rullaoikaisukoneen asetusarvojen laskeminen toteutettiin ympyräkaarimenetelmää ja seurantatutkimusta käyttäen. Ensimmäisen ylärullan asetteluarvot on laskettu suorilla kaavasovelluksilla. Toisen ylärullan kohdalla oli tarpeellista tehdä laajempaa seurantatutkimusta, jotta löydettiin sellainen tapa, jolla myös sen arvot saataisiin riippuvaiseksi ensimmäisen ylärullan asetteluarvoista ja ympyränkaarimenetelmästä. Uutta oikaisukonekokonaisuutta varten suoritettujen laskelmien perusteella rullaoikaisukoneen telakokoa ja keskiöetäisyyttä on pienennettävä, moottoritehoa on kasvatettava ja työrullien tuentaa on parannettava verrattuna nykyiseen tuotantokoneeseen. Esioikaisukonetyyppisen rullaoikaisukoneen rajoittuneesta oikaisutuloksesta ja tietyillä kelalaaduilla esiintyvä erittäin luja wüstiittihilse puoltaa vahvasti erillisen hilseenmurskaimen lisäämistä peittauslinjan konekantaan.

Lujien hitsattavien terästen käyttäytyminen -60 °C:ssa

Opinnäytetyö on osa Arctic Materials Technologies Development -projektia, jonka tavoitteena on kehittää perusteita arktisten alueiden sovelluksiin suunnittelun ja valmistuksen kannalta. Arktisella alueella sijaitsee useita potentiaalisia öljy- ja maakaasuesiintymiä, joiden hyödyn-täminen tulee vuosi vuodelta kannattavammaksi ilmaston lämpenemisestä johtuvan merijään heikkenemisen vuoksi. Alin suunnittelulämpötila arktisilla alueilla on -60 °C, mikä aiheuttaa haasteita sekä materiaalinvalinnalle että hitsaukselle. Ferriittisillä teräksillä esiintyy lämpötilasta riippuvaa sitkeyden vaihtelua, jota kutsutaan transi-tiokäyttäytymiseksi. Lämpötilan laskiessa teräksen iskusitkeys sekä murtumissitkeys laske-vat. Arktisissa sovelluskohteissa käytetään yleisesti niukkaseosteisia, mikroseostettuja hie-noraeteräksiä, joille on ominaista erinomaiset sitkeys-, lujuus- sekä hitsattavuusominaisuudet vaativissakin olosuhteissa. Lujat termomekaanisesti valssatut ja nuorrutetut hienoraeteräkset kattavat myötölujuusluokat 355…700 MPa. Tutkimuksissa on saatu vaihtelevia tuloksia ma-teriaalien isku- ja murtumissitkeydestä -60 °C:ssa. Erityisesti sitkeysominaisuudet hitsiaineen ja muutosvyöhykkeen alueiden välillä ovat vaihtelevia. Pienemmällä lämmöntuonnilla ja seostetuilla lisäaineilla saavutetaan kuitenkin pääsääntöisesti parempia sitkeysarvoja. Asiku-laarinen ferriitti sekä alabainiitti ovat toivottavia mikrorakenteita liitoksessa, niiden pienen raekoon johdosta.

Hitsaustuotannon tehostaminen mekanisoinnin keinoin

Mekanisoinnin ja automaation osuuden lisääminen hitsaustuotannossa on eräs keino hitsaavan teollisuuden kilpailukyvyn tehostamiseksi. Tässä työssä tutkittiin hitsaustyön tehostamista mekanisoinnin keinoin. Työ tehtiin Rämö Oy:n konepajalla Imatralla, todellisia tuotantokappaleita vastaavilla koekappaleilla. Teoriaosuudessa on läpikäyty hitsauksen mekanisointia, kappaleenkäsittelyä ja erilaisia hitsausprosesseja. Osuudessa on käsitelty myös mekanisoidun hitsauksen laatua ja laadunvarmistusta. Kohdeyrityksen tuotannon nykytilanteen kartoitus on esitetty tässä osuudessa. Käytännön osuudessa on käsitelty hitsauskokeiden suoritus, kokeiden tulokset sekä niiden analysointi. Tuloksista voidaan todeta kevytmekanisoinnin olevan kustannustehokas keino hitsaustyön tehokkuuden sekä laadun parantamiseksi. Työn tuloksia tullaan käyttämään hyödyksi kehitettäessä hitsaavaa tuotantoa Rämö Oy:ssä.

Sähkögeneraattoriosien hitsauksen tuottavuuden kehittäminen

Hitsauksen tuottavuuteen vaikuttavat hitsausmäärä, käytetyt prosessit ja laatu. Työn teoriaosuudessa tutustutaan hitsauksen tuottavuuteen sekä suunnittelullisesta että valmistuksellisesta näkökulmasta. Hitsauksen laadulliset asiat, kuten laatustandardit ja vaatimukset käydään läpi keskittyen standardin SFS-EN ISO 3834 kattaviin laatuvaatimuksiin. Rikkomaton ja rikkova aineenkoetus ja yleisimmät hitsausvirheet esitetään yleisellä tasolla. Hitsausprosesseista esitetään MIG/MAG- ja MAG-täytelankahitsauksen sekä pulssihitsauksen perusteet. Tässä diplomityössä tutkitaan pulssihitsauksen soveltuvuutta sähkögeneraattorin staattoripaketin eripariliitoksen hitsaukseen ja kykyä parantaa sekä tuottavuutta että laatua. Tutkimus perustuu koehitsauksiin ja niiden perusteella tehtyihin johtopäätöksiin. Lisäksi pohditaan sisätuulettimien hitsauksen kehittämistä ja annetaan kehitysehdotus valmistusprosessista. Koehitsauksien perusteella pulssihitsaus on hyvä prosessiparannus staattoripakettien hitsaukseen. Kohdistettu valokaari ja alhaisempi lämmöntuonti verrattuna perinteiseen MAG-hitsaukseen sekä hitsauksen yksinkertaisuus tuovat etuja eripariliitoksen hitsauksen laatuun. Kustannuslaskelmien myötä hitsausprosessin muutoksen odotetaan tuovan kustannussäästöjä. Hitsauslaadun parantuessa ja jälkityöstön määrän vähentyessä hitsausprosessin muutos on kannattava.

Ohutlevyjen laserhitsaus

Tässä diplomityössä tarkasteltiin laseria ja sen käyttöä laserhitsauksessa. Laserin käyttäminen asettaa omat vaatimuksensa ja haasteet laserhitsattavan tuotteen ja mahdollisen kiinnittimen suunnittelulle. Lisäksi laserin käyttö konepajassa asettaa tiettyjä vaatimuksia työympäristölle. Diplomityössä suunniteltiin uudelleen eräs ohutlevystä valmistettava kotelo ja pyrittiin selvittämään soveltuuko se laserhitsattavaksi, ja saako kotelosta hitsattua täysin tiiviin. Kotelo soveltui hyvin laserhitsattavaksi, mutta täysin tiiviin kotelon hitsaaminen oli haasteellista ja hyvin epävarmaa.

Hitsauksen lämpökäsittelyn vaikutus CrMo - terästen mekaanisiin ominaisuuksiin

Diplomityössä selvitettiin lujuusomaisuuksien muuttumista toimitustilassa olevilla ja hitsatuilla The American Society of Mechanical Engineering (ASME) SA335 P22 ja P5 teräksillä, kun hitsauksen lämpökäsittelylämpötila oli suurempi kuin materiaalin valmistuksen aikainen päästölämpötila. Diplomityön perusteella ei pystytä yksiselitteisesti todentamaan tai kumoamaan standardeissa ASME SA335: 2008a, ASME B31.3: 2010 ja SFS-EN 13445: 2009 esitettyjä varoituksia materiaalien mekaanisten ominaisuuksien huononemisesta, jos hitsien jälkilämpökäsittely ylittää materiaalien päästölämpötilan. Veto-, kovuus- ja iskukoetestitulosten perusteella todennettiin kuitenkin, ettei lämpökäsittely lämpötila-alueella 710–760 oC vaikuta suuresti materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin. Tuloksien perusteella todettiin myös, että koemateriaalivalikoima ja tehdyt testisarjat olivat suppeahkoja tarkkojen hankinta- ja valmistuskriteerien määrittämiseksi.

Teräsvalujen hitsaus: case 25CrMo4

Työssä tutkittiin teräsvalujen hitsattavuutta sekä kirjallisuuden että laboratoriokokeiden avulla. Työssä tarkasteltiin erityisesti valuterästä G-25CrMo4 ja tutkittiin seikkoja, jotka vaikuttavat kyseisen materiaalin hitsauksen onnistumiseen.

Kasanpurkaimen portaalin teknistaloudellinen tarkastelu

Tämä diplomityö on tehty kansainväliseen materiaalinkäsittelyjärjestelmiä toimittavaan yritykseen. Menestyvän yrityksen on pyrittävä kustannustehokkuuden jatkuvaan parantamiseen. Tässä diplomityössä on tutkittu kannattaako kasanpurkaimen portaali valmistaa ristikkorakenteena levyrakenteeseen verrattuna. Tutkimukseen on sisällytetty koko toimitusketju suunnittelusta asennukseen, mutta lujuuslaskennan on suorittanut ulkopuolinen alihankkija. Yrityksen projektissa toimitettiin samaan aikaan purkainta, jonka portaali valmistettiin levyrakenteena. Tätä portaalia on käytetty uuden ristikkorakenteisen portaalin vertailukohtana. Ristikkorakenteinen portaali on suunniteltu putkipalkkirakenteena, jolloin siitä saatiin kevyempi. Suunnittelussa on pyritty huomioimaan valmistusystävällisen suunnittelun näkökohtia, joita esitellään työn teoriaosassa. Ristikkorakenteesta on tehty myös tarjouskuvat, joiden pohjalta valmistustarjoukset on pyydetty. Valmistuskustannusten lisäksi tarkemmassa tarkastelussa ovat suunnittelu- ja laskentakustannukset.

Ultrasound call detection in capybara

The vocal repertoire of some animal species has been considered a non-invasive tool to predict distress reactivity. In rats ultrasound emissions were reported as distress indicator. Capybaras[ vocal repertoire was reported recently and seems to have ultrasound calls, but this has not yet been confirmed. Thus, in order to check if a poor state of welfare was linked to ultrasound calls in the capybara vocal repertoire, the aim of this study was to track the presence of ultrasound emissions in 11 animals under three conditions: 1) unrestrained; 2) intermediately restrained, and 3) highly restrained. The ultrasound track identified frequencies in the range of 31.8±3.5 kHz in adults and 33.2±8.5 kHz in juveniles. These ultrasound frequencies occurred only when animals were highly restrained, physically restrained or injured during handling. We concluded that these calls with ultrasound components are related to pain and restraint because they did not occur when animals were free of restraint. Thus we suggest that this vocalization may be used as an additional tool to assess capybaras[ welfare.

Valmistusteknillinen näkökulma hitsattaessa ruostumattomia teräksiä CO2-laserilla

Tämä kandidaatintyö on valmistuksellinen näkökulma ruostumattoman teräksen CO2-laserhitsauksen perusteisiin. Tavoitteena on perehdyttää lukija ruostumattoman teräksen CO2-laserhitsauksen valmistusteknillisiin vaatimuksiin ja teollisuuden sovelluksiin.

Ohutseinämäisten putkien hitsauksen robotisointi

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut selvittää, kuinka robotisoitua hitsausta on mahdollista hyödyntää teollisuuskaiteiden valmistuksessa. Tutkimusmenetelminä käytettiin kirjallisuusselvitystä, hitsauskokeita ja makrohietutkimuksia. Työssä keskityttiin robottihitsauksen menetelmiin ja työstä on rajattu pois kaikki kustannuslaskelmat sekä alumiinin hitsaus. Hitsattavat materiaalit olivat rakenneteräs ja ruostumaton teräs. Rakenneteräsputken koko oli 42,4 x 2,6 mm ja ruostumattoman putken koko 42,4 x 2,0 mm. Käytetyt liitosmuodot olivat T-liitoksia, joista suorassa T-liitoksessa putkien välinen kulma oli 90 astetta ja vinossa T-liitoksessa noin 45 astetta. Tehdyn selvitystyön ja hitsauskokeiden perusteella voidaan sanoa, että kaiteissa käytettävien materiaalipaksuuksien ja liitosmuotojen hitsaaminen robotilla on mahdollista. Hitsauksen lopputulos riippuu hitsausasennosta ja paras tulos saavutetaan, kun kappaletta pyöritetään hitsauksen aikana siten, että hitsaus tapahtuu koko ajan jalkoasennossa.