Siltanosturin teräsrakenteen suunnittelun avuksi luodun ohjelman jatkokehitys

Diplomityössä tehdään jatkokehitystä KCI Konecranes yrityksen siltanosturin laskentaohjelmaan. Ohjelman tärkeimmät jatkokehityskohteet kartoitettiin käyttäjäkyselyn avulla ja niistä valittiin toivotuimmat, sekä diplomityön lujuusopilliseen aihepiiriin parhaiten soveltuvat. Työhön valitut kaksi aihetta ovat koteloprofiilin kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan selvittäminen ja siltanosturin kahdeksanpyöräisenpäätykannattajan elementtimallin suunnittelu. Diplomityössä selvitetään jatkokehityskohteisiin liittyvä teoria, mutta varsinainen ohjelmointi jätetään työn ulkopuolelle. Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti. Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta.

Paperikoneiden työskentelytasojen vaatimusten mukainen suunnittelu

Työtasojen kantavien rakenteiden on kestettävä riittävällä varmuudella mm. henkilökuormasta aiheutuvat jännitykset rakenneosissa. Lisäksi tasot eivät saa tuntua notkuvilta niillä käveltäessä, joten rakenteen siirtymille asetetaan rajoituksia. Työssä esitetään yleisimmin epäselvyyttä aiheuttaneet paperikoneiden työskentelytasoille asetetut vaatimukset. Vaatimukset ja niiden täyttäminen esitetään yksiselitteisellä tavalla esimerkiksi sovellettavien kuormitusten osalta. Materiaaliominaisuuksien osalta esitetään tärkeimmät työtasojen suunnittelussa huomioon otettavat asiat yleisimmille austeniittisille ruostumattomille teräksille ja alumiiniseoksille. Työtasorakenteiden mitoitusohjeet esitetään ritilöille, kulmaprofiilista valmistetuille jalkalistoille ja putkipalkista valmistetuille työtasojen kannattimille. Mitoituksessa otetaan myötöehdon ja siirtymärajoitusten lisäksi huomioon mm. levykenttien lommahdus. Kannattimien mitoituksessa otetaan huomioon vinoutuvien liitosten joustavuus ja kestävyys. Lisäksi esitetään mitoitusohjeet kitkaliitoksena toimivalle päätylevyliitokselle, johon kohdistuu mm. taivutus- ja vääntömomenttia.

Liikuntasaumaproblematiikan selvittäminen laivan runkorakenteissa

Nykyään laivan kansirakenteet suunnitellaan pääosin kantaviksi rakenteiksi, mikä edellyttää niiltä suurta lujuutta. Jatkuvasti kasvavissa risteilijöissä ja muissa suurissa aluksissa ongelmaksi muodostuu kansirakenteiden suuret jännitykset. Kansirakenteet sijaitsevat kauimpana laivan neutraaliakselilta, jolloin niissä syntyy suuria venymiä. Kansirakenteista pitää näin ollen suunnitella hyvin kestäviä tai vaihtoehtoisesti tarpeeksi lyhyitä rakenteita. Liikuntasaumojen avulla on 1950 -luvulle asti laivoissa katkaistu pitkät kansirakenteet, mutta hitsausmenetelmien kehittyessä kansirakennukset on tehty yhtenäisiksi kansirakenteiksi. Tämä on tähänastisissa risteilijöissäkin toiminut hyvin, mutta laivojen koon kasvaessa on etsittävä keinoja mahdollisiin runkorakenteiden ja varustelun lujuus- ja väsymisongelmiin. Tavoitteena oli saada aikaan työ, joka olisi hyvä ”työkalu” tuleville tutkimuksille liikuntasaumojen soveltamisessa laivarakenteisiin sekä niihin liittyviin varusteluosiin ja -rakenteisiin. Työssä tutustutaan kirjallisuustutkimuksen avulla liikuntasaumasovelluksiin ja esitellään sovelluksia eri aloilta. Kirjallisuusosuuden päätteeksi esitellään muutama laivarakennesovellus, joita löytyy hieman vanhemmista laivarakenteista. FE analyysiosuudessa tutkitaan liikuntasauman pohjan muodon vaikutusta pohjan jännitystasoihin ja liikuntasaumojen vaikutusta laivan kansirakenteiden jännitystasoihin kolmella eri liikuntasaumojen lukumäärällä. Lisäksi kansirakenteiden jännitystasoja tutkittiin kolmella kansirakenteen leveydellä. Esimerkkejä liikuntasaumoista löytyy monelta eri aloilta, joiden ominaisuuksia yhdistelemällä saavutetaan oikea ratkaisu liikuntasaumojen soveltamisessa laivojen kansirakenteisiin. Lisäksi FE -analyysistä voidaan nähdä, että liikuntasaumat laskevat jännitystasoja laivojen kansirakenteissa. Liikuntasaumojen oikea lukumäärä riippuu hyvin paljon siitä, kuinka paljon kansirakenteen jännityksiä halutaan laskea. Liikuntasauman pohjan muotoa on kehitettävä ja se on otettava myös huomioon yhtenä tärkeänä seikkana suunniteltaessa liikuntasaumoja laivojen kansirakenteisiin. Esimerkiksi vahvistelevyillä saadaan jännityksiä laskettua liikuntasauman pohjan läheisyydessä tehokkaasti.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Azimuth thrusterin rungon lujuustekninen tarkastelu

Työssä perehdyttiin azimuth potkurilaitteen rakenteelliseen kestävyyteen vaikuttaviin seikkoihin. Työn tavoitteena oli tutkia eri rakenneratkaisuja ja yksityiskohtia sekä niiden vaikutusta koko potkurilaitteen toimintaan. Potkurilaitteiden lujuustekninen tarkastelu sisälsi rakenteen eheyden tarkistuksen mekaanisten kuormitusten alla kuin myös värähtelykäyttäytymisen tutkimisen. Tarkastelun pääsääntöinen kohde oli potkurilaitteen alarunko, eli laivan ulkopuolelle jäävä osa. Diplomityö oli osa kahden uuden potkurilaitteen kehitysprojektia. Projektissa esiin tulleita rakennemuutoksia vertailtiin vanhoihin, jo toteutettuihin rakenneyksityiskohtiin. Lisäksi tutkittiin olemassa olevien rakenneratkaisujen hyödyntämistä uusissa laitteissa. Huomiota kiinnitettiin myös hitsien muotoiluun ja näiden mitoituskäytäntöihin. Rungon ehyyttä koskevat laskelman ovat hyvin pitkälti suoritettu elementtimenetelmää apuna käyttäen. Elementtimenetelmää varten luotiin useita malleja kattaen kokonaisia potkurilaittee runkoja kuin myös sen yksittäisiä osia. Elementtimenetelmän avulla saatuja tuloksia vertailtiin käytettävissä oleviin mittaustuloksiin. Työssä havaittiin potkurilaitteen rungon mitoittavaksi tekijäksi staattisessa tilanteessa muodostuvan voimansiirtolinja ja siinä sijaitsevien hammaspyörien siirtymät. Tämän seurauksena rungon taipumat ovat määräävämpiä geometrian kannalta kuin materiaalien sallitut jännitykset.

Kestomagneettigeneraattorin staattorin mekaanisen rakenteen analysointi ja kehitys

Työssä tutkittiin kestomagneettigeneraattorin staattoriytimen aksiaalisen puristamisen ja lämpötilan vaikutuksia staattorin jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Lisäksi tutkittiin aksiaalisen puristusjännityksen vaikutusta staattorin aksiaalisuuntaisen ominaismuodon taajuuteen. Rakenteesta tehtiin elementtimalli, jonka avulla laskettiin rakenteen siirtymät, jännitykset ja ominaistaajuudet. Rakenteen jännityksiä ja siirtymiä tutkittiin myös yksinkertaisella jousikuvauksella, jonka tuloksia verrattiin elementtimallilla saatuihin tuloksiin. Työn tavoitteena oli kehittää uusi staattorirakenne. Elementtimenetelmän tulosten perusteella staattorirakennetta voidaan yksinkertaistaa poistamalla nyt käytetty puristusrengas, jolloin rakenteesta tulee yksinkertaisempi ja kustannustehokkaampi.

Jäykistetyn laattarakenteen mitoittaminen suurten taipumien teorialla

Tässä diplomityössä tutkitaan epälineaarisen teorian hyödyntämistä laattarakenteiden analysoinnissa ja pyritään muodostamaan yksinkertaisia mitoitusohjeita laattarakenteille. Analysointia varten laattarakenne jaetaan lohkoihin, joille mitoitussäännöt määritetään. Tarkastellaan myös lineaarisen ja epälineaarisen teorian antamien tulosten eroavai-suutta ja suurten taipumien huomioimisen aiheuttamaa hyötyä. Työn lähtökohtana on standardi SFS-EN 1993-1-7, joka antaa yksinkertaistettuja mitoitusohjeita laattarakenteiden mitoitukseen lineaarisella ja epälineaarisella teorialla. Työssä selvitetään mistä nämä mitoitusohjeet ovat peräisin. Lisäksi tarkastellaan laattalohkojen erilaisia liitoksia, jotta voidaan tehdä oletuksia laatan reunaehdoista. Tulokseksi saadaan suuntaa-antavia mitoitusohjeita, joiden soveltaminen onnistuu vain muutamille yksinkertaisille rakenteille. Mitoitusohjeiden perusteella saadaan laskettua laattalohkon jännitykset, taipuma sekä mitoitusohjeiden vaatiman jäykisteen koko. Jotta mitoitusohjeista saataisiin tarkemmat, tulisi mitoitettava rakenne pystyä määrittelemään yksityiskohtaisemmin. Vertailtaessa lineaarista ja epälineaarista laskentaa havaitaan, että huomioimalla suurten taipumien aikaansaamat kalvovoimat, laskevat laattarakenteeseen vaikuttavat taipumat ja jännitykset merkittävästikin.

The Plastic Capacity of Boiler Supporting Headers

The goal of this thesis was to make a dimensioning tool to determine the plastic capacity of the boiler supporting header. The capacity of the header is traditionally determined by using FE-method during the project phase. By using the dimensioning tool the goal is to ensure the capacity already in the proposal phase. The study began by analyzing the headers of the ongoing projects by using FE-method. For the analytical solution a plain header was analyzed without the effects of branches or lug. The calibration of parameters in the analytical solution was made using these results. In the analytical solution the plastic capacity of the plastic hinges in the header was defined. The stresses caused by the internal pressure as well as the normal and shear forces caused by the external loading reduced the plastic moment. The final capacity was determined by using the principle of virtual work. The weakening effect of the branches was taken into account by using pressure areas. Also the capacity of the punching shear was defined. The results from the FE-analyses and the analytical solution correlate with each other. The results from the analytical solution are conservative but give correct enough results when considering the accuracy of the used method.

Notchikololiitosten FE-analyysit

Työn kandidaatintyössä tutkittiin kolollisen levyrakenteen hot spot -jännityksiä ja väsymiskestävyyttä varioimalla kolon sädettä. Työssä haluttiin selvittää, kuinka hot spot -jännitykset, rakenteen kestoikä ja rakenteen kriittinen kohta muuttuvat, kun kolon sädettä muutetaan. Työn tavoitteena oli myös tutkia, kuinka laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden ja tietokoneella laskettujen elementtimallien tulokset eroavat toisistaan.

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.

Digitaalisen valmistuksen vaikutus hitsatun rakenteen väsymiskestävyyteen

Tässä työssä tutkittiin kuinka eri tavoin rakenteen mallintaminen vaikuttaa laskettuun väsy-misikään. Työssä tutkittavana rakenteena toimi Sandvik Mining and Construction OY:n las-tauskoneen nostovarsi. Nostovarrelle väsytyskokeet suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Työn tavoitteena oli tutkia miten eri digitaalinen valmistuksen tasot vaikuttavat hitsatulle rakenteelle saatuun kestoikään. Työssä tutkittiin myös miten todellista geometriaa voidaan hyödyntää rakenteen kestoiän arvioinnissa. Väsytyskoejärjestely mallinnettiin FE-menetelmällä, ja järjestelystä tehtiin useita malleja käyttäen solidi- ja laattaelementtejä. Malleista laskettiin väsymisiät hot spot- ja tehollisen lovijännityksen menetelmällä, ja saatuja tuloksia vertailtiin toisiinsa ja väsytyskokeen tulok-siin. Väsytyskokeessa vaurioituneista kohdista tarkemman tutkimuksen kohteena oli nosto-varren palstalevyn kärki. Hot spot-menetelmällä saadut kestoiät vaihtelivat paikoin melko paljon eri mallien välillä. Tehollisen lovijännityksen menetelmällä saaduissa tuloksissa erot olivat pienempiä mallien välillä. FE-mallin ja venymäliuskojen jännitykset poikkesivat toisistaan paikoin melko pal-jon. Todellisen hitsatun rakenteen kestoikään vaikuttaa moni asia, ja täten FE-menetelmällä las-kettu kestoikä voi poiketa huomattavasti todellisesta kestoiästä. Varsinkin hot spot-menetel-mällä tulokset voivat poiketa hyvinkin paljon todellisuudesta, mikäli jännitystila tutkitta-vassa kohdassa on moniaksiaalinen. Todellisen geometrian mallintaminen vaatii tarkkuutta, ja alkuperäisdatan tulee olla mahdollisimman tarkkaa ja riittävän suurelta alueelta, jotta malli vastaa tarpeeksi todellista.

Multibody models for examination of touchdown bearing systems

Increased rotational speed brings many advantages to an electric motor. One of the benefits is that when the desired power is generated at increased rotational speed, the torque demanded from the rotor decreases linearly, and as a consequence, a motor of smaller size can be used. Using a rotor with high rotational speed in a system with mechanical bearings can, however, create undesirable vibrations, and therefore active magnetic bearings (AMBs) are often considered a good option for the main bearings, as the rotor then has no mechanical contact with other parts of the system but levitates on the magnetic forces. On the other hand, such systems can experience overloading or a sudden shutdown of the electrical system, whereupon the magnetic field becomes extinct, and as a result of rotor delevitation, mechanical contact occurs. To manage such nonstandard operations, AMB-systems require mechanical touchdown bearings with an oversized bore diameter. The need for touchdown bearings seems to be one of the barriers preventing greater adoption of AMB technology, because in the event of an uncontrolled touchdown, failure may occur, for example, in the bearing’s cage or balls, or in the rotor. This dissertation consists of two parts: First, touchdown bearing misalignment in the contact event is studied. It is found that misalignment increases the likelihood of a potentially damaging whirling motion of the rotor. A model for analysis of the stresses occurring in the rotor is proposed. In the studies of misalignment and stresses, a flexible rotor using a finite element approach is applied. Simplified models of cageless and caged bearings are used for the description of touchdown bearings. The results indicate that an increase in misalignment can have a direct influence on the bending and shear stresses occurring in the rotor during the contact event. Thus, it was concluded that analysis of stresses arising in the contact event is essential to guarantee appropriate system dimensioning for possible contact events with misaligned touchdown bearings. One of the conclusions drawn from the first part of the study is that knowledge of the forces affecting the balls and cage of the touchdown bearings can enable a more reliable estimation of the service life of the bearing. Therefore, the second part of the dissertation investigates the forces occurring in the cage and balls of touchdown bearings and introduces two detailed models of touchdown bearings in which all bearing parts are modelled as independent bodies. Two multibody-based two-dimensional models of touchdown bearings are introduced for dynamic analysis of the contact event. All parts of the bearings are modelled with geometrical surfaces, and the bodies interact with each other through elastic contact forces. To assist in identification of the forces affecting the balls and cage in the contact event, the first model describes a touchdown bearing without a cage, and the second model describes a touchdown bearing with a cage. The introduced models are compared with the simplified models used in the first part of the dissertation through parametric study. Damages to the rotor, cage and balls are some of the main reasons for failures of AMB-systems. The stresses in the rotor in the contact event are defined in this work. Furthermore, the forces affecting key bodies of the bearings, cage and balls can be studied using the models of touchdown bearings introduced in this dissertation. Knowledge obtained from the introduced models is valuable since it can enable an optimum structure for a rotor and touchdown bearings to be designed.

Convenience of scallops in plate structures

In this thesis was performed comprehensive study about the convenience of scallops in plate structures. A literature review was performed and lack of knowledge was fulfilled with fatigue tests performed in the laboratory of Steel Structures at the Lappeenranta University of Technology and with finite element method. The aim of this thesis was to produce design guidance for the use of scallops for different structural details and different loading conditions. An additional aim was to include more precise instructions for scallop design to produce good fatigue resistance and appropriate manufacturing quality. The literature review was performed searching bridge engineering and maritime standards and design guides and studies from scientific databases and reference lists from the literature of this field. Fatigue tests were used to research the effect of using scallops or not using scallops to fatigue strength of bracket specimen. Tests were performed on three specimens with different scallop radii and to five specimens without scallops with different weld penetration depths. Finite element method using solid elements, symmetry and submodels was used to determine stress concentration factors for I-beams with scallops. Stresses were defined with hot spot stress method. Choosing to use a scallop or not in the structure is affected by many factors, such as structural and loading conditions and manufacturability. As a rule of thumb, scallops should be avoided because those cause stress concentration points to the structure and take a lot of time to manufacture. When scallops are not used, good quality welding should be provided and full weld penetration is recommended to be used in load carrying corner weld areas. In some cases, it is advisable to use scallops. In that case, circular scallops are recommended to be used and radius should be chosen from fatigue strength or manufacturing point of view.