Simultaneous steady state and dynamic design of process systems using structural indicators

The simultaneous design of the steady-state and dynamic performance of a process has the ability to satisfy much more demanding dynamic performance criteria than the design of dynamics only by the connection of a control system. A method for designing process dynamics based on the use of a linearised systems' eigenvalues has been developed. The eigenvalues are associated with system states using the unit perturbation spectral resolution (UPSR), characterising the dynamics of each state. The design method uses a homotopy approach to determine a final design which satisfies both steady-state and dynamic performance criteria. A highly interacting single stage forced circulation evaporator system, including control loops, was designed by this method with the goal of reducing the time taken for the liquid composition to reach steady-state. Initially the system was successfully redesigned to speed up the eigenvalue associated with the liquid composition state, but this did not result in an improved startup performance. Further analysis showed that the integral action of the composition controller was the source of the limiting eigenvalue. Design changes made to speed up this eigenvalue did result in an improved startup performance. The proposed approach provides a structured way to address the design-control interface, giving significant insight into the dynamic behaviour of the system such that a systematic design or redesign of an existing system can be undertaken with confidence.

Experimental and computational investigation of the roll forming process

One of the first questions to consider when designing a new roll forming line is the number of forming steps required to produce a profile. The number depends on material properties, the cross-section geometry and tolerance requirements, but the tool designer also wants to minimize the number of forming steps in order to reduce the investment costs for the customer. There are several computer aided engineering systems on the market that can assist the tool designing process. These include more or less simple formulas to predict deformation during forming as well as the number of forming steps. In recent years it has also become possible to use finite element analysis for the design of roll forming processes. The objective of the work presented in this thesis was to answer the following question: How should the roll forming process be designed for complex geometries and/or high strength steels? The work approach included both literature studies as well as experimental and modelling work. The experimental part gave direct insight into the process and was also used to develop and validate models of the process. Starting with simple geometries and standard steels the work progressed to more complex profiles of variable depth and width, made of high strength steels. The results obtained are published in seven papers appended to this thesis. In the first study (see paper 1) a finite element model for investigating the roll forming of a U-profile was built. It was used to investigate the effect on longitudinal peak membrane strain and deformation length when yield strength increases, see paper 2 and 3. The simulations showed that the peak strain decreases whereas the deformation length increases when the yield strength increases. The studies described in paper 4 and 5 measured roll load, roll torque, springback and strain history during the U-profile forming process. The measurement results were used to validate the finite element model in paper 1. The results presented in paper 6 shows that the formability of stainless steel (e.g. AISI 301), that in the cold rolled condition has a large martensite fraction, can be substantially increased by heating the bending zone. The heated area will then become austenitic and ductile before the roll forming. Thanks to the phenomenon of strain induced martensite formation, the steel will regain the martensite content and its strength during the subsequent plastic straining. Finally, a new tooling concept for profiles with variable cross-sections is presented in paper 7. The overall conclusions of the present work are that today, it is possible to successfully develop profiles of complex geometries (3D roll forming) in high strength steels and that finite element simulation can be a useful tool in the design of the roll forming process.

Process evaluation of intervention program for prevention of early sexual activity and alcohol use among Hispanic teenagers

Hispanic teens are a high-risk population for initiation of early sexual activity and alcohol use which in turn has numerous social and health consequences. One strategy to address prevention of these behaviors is to implement a capacity building intervention that promotes parent child communication, encompasses their cultural values and community participation. This study describes the process evaluation of a pilot intervention program amongst Hispanic teens and their families living along the Texas-Mexico border. “Girls Lets Talk” is a small group intervention with 10-14 year old teens and their female adult family members that involves education regarding effects of alcohol use and sexual activity as well as activities for monitoring and refusal skills to prevent risky behaviors. Two waves of the program each consisting of at least seven mother daughter dyads were conducted. During the designing process, community advisory board meetings and focus groups were held to review course materials and ensure they were appropriate to the Mexican American culture. Parent and adolescent surveys were administered at the beginning and end of the intervention to assess for psychosocial outcome variables. All sessions received high mean satisfactory scores (mean of 4.00 or better on a five point scale) for both adult and adolescent participants. Qualitative feedback was obtained via debriefing sessions to evaluate experience as well as alter recruitment strategies. A Wilcoxon Sign Rank analysis of the pre and post intervention surveys was done that showed significant changes in some outcome variables such as intentions and confidence for monitoring behaviors for adults and beliefs regarding sexual activity. “Girls Lets Talk” is a promising example of how a process evaluation plan can help develop a theory based health promotion program using the community based participatory research approach. The intervention may also be effective in altering intentions and enhancing self-efficacy among parents and teens in order to decrease risky behaviors such as early sexual activity and alcohol use.^

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

Development of the Simulation Environment for the Mobile Phone User Interfaces

Diplomityössä käsitellään Nokia Mobile Phonesin matkapuhelimien käyttöliittymäohjelmistojen suunnittelu-ja testausympäristön kehitystä. Ympäristöön lisättiin kaksi ohjelmistomodulia avustamaan simulointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalulla matkapuhelimen toiminta voidaan jäljittää suunnittelu- kaavioihin tilasiirtyminä, kun taas vertailusovelluksella kaavioiden väliset erot nähdään graafisesti. Kehitetyt sovellukset parantavat käyttöliittymien suunnitteluprosessia tehostaen virheiden etsintää, optimointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalun edut ovat merkittävät, koska käyttöliittymäsovellusten toiminta on havaittavissa suunnittelu- kaavioista reaaliaikaisen simuloinnin yhteydessä. Näin virheet ovat välittömästi paikannettavissa. Lisäksi työkalua voidaan hyödyntää kaavioita optimoitaessa, jolloin sovellusten kokoja muistintarve pienenee. Graafinen vertailutyökalu tuo edun rinnakkaiseen ohjelmistosuunnitteluun. Eri versioisten suunnittelukaavioiden erot ovat nähtävissä suoraan kaaviosta manuaalisen vertailun sijaan. Molemmat työkalut otettiin onnistuneesti käyttöön NMP:llä vuoden 2001 alussa.

Suorituskyvyn mittaaminen sosiaali- ja perusterveydenhuoltotoimialalla

Oikein suoritettu suorituskyvyn mittaaminen tuo kirjallisuuden mukaan organisaatiolle monia hyötyjä. Julkisen sektorin toimijat kohtaavat kuitenkin useita haasteita suorituskyvyn mittaamisessa ja mittausjärjestelmän suunnittelussa, eikä useimmilla sektorin organisaatioilla ole käytössään kattavaa mittausjärjestelmää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli suunnitella suorituskyvyn mallimittaristo kuntien ja julkisen sektorin sosiaali- ja perusterveydenhuoltotoimialan organisaatioiden käyttöön. Tutkimus toteutettiin case-tutkimuksena konstruktiivista tutkimusotetta käyttäen, sillä työssä pyrittiin kehittämään mallimittaristo, joka on sovellettavissa useaan tapaukseen. Mallimittariston kehittäminen perustui julkisen sektorin sekä sosiaali- ja terveystoimen suorituskykyä ja sen mittaamista käsittelevään tieteelliseen kirjallisuuteen, tutkimukseen ja asiantuntijoiden haastatteluihin. Tutkimuksessa havaittiin, että mittariston suunnitteluprosessissa tulee kiinnittää huomiota erityisesti terminologiaan, mittaamisen tarkoitukseen, nykyiseen mittaamisen tasoon, laatutekijöihin ja vaikutuksiin sekä suorituskyvyn kaikkien osa-alueiden huomioimiseen ja linjassa pitämiseen. Tutkimustuloksena saatiin lisäksi tietoa mittariston rakentamis-prosessista ja tärkeistä mittauskohteista sosiaali- ja perusterveydenhuoltotoimialalla. Jo itse suunnitteluprosessi koettiin hyödylliseksi suorituskyvyn kentän ja sen mittaamisen ymmärtämiseksi. Maakunnan alueellinen kehittäjä hyväksyi mallimittariston ja esitti työn tulokset ja suositukset alueen kunnille. Mittariston toimivuus käytännössä tullaan havaitsemaan siis vasta myöhemmin, mikäli kunnat päättävät ottaa mittariston käyttöön.

Suurlujuusterästen suuren lujuuden ja pienen murtovenymän tuomat erityispiirteet teräsrakenteen suunnittelijalle

Suurlujuusteräskonstruktioiden suunnittelu eroaa perinteisten rakenneterästen vastaavasta lukuisten lisähuomiota vaativien ilmiöiden ja seikkojen osalta, jotka kytkeytyvät toisiinsa rakenteen valmistettavuuden ja toiminnallisuuden kautta. Lujuuden sallima vapaampi suunnittelu esimerkiksi ohuempine materiaalivahvuuksineen ja näennäisesti vapaampine elementtigeometrioineen kumuloituu suurlujuusteräsmateriaalin kautta vaativampana työstettävyytenä. Tämä heijastuu suunnittelijalle materiaalin pienen murtovenymän ja käytettävissä olevat laitteistoresurssien kautta. Suurlujuusterästen muovaaminen vaatii perinteisiin rakenneteräksiin nähden suurempaa voimankäyttöä, mutta pieni murtovenymä rajoittaa saavutettavissa olevia muotoja. Materiaalivahvuuksien muuttuessa vaatii hitsausliitosten suunnittelu esimerkiksi railomuotojen uudelleensuunnittelua, sekä lämmöntuonnin aiheuttamien muutosten tarkempaa huomioimista. Näiden yhteensovittaminen ohjaa suunnittelijan poikkeuksetta hakemaan ratkaisuja erilaisista hitsausaineista ja -prosesseista. Suuren lujuuden ja pienen murtovenymän suurlujuusteräselementtien mekaanisten ominaisuuksien ja erilaisen elementtigeometrian yhdistelmänä kumuloituva rakennetekninen käyttäytyminen eroaa selvästi perinteisistä teräslaaduista. Yksittäisten elementtien suhteen korostuvat esimerkiksi stabiliteettiomiinaisuudet, sekä kokonaisten rakenteiden suhteen liitosratkaisujen vaikutus koko konstruktion toimintaan. Onnistuneella suurlujuusteräsuunnittelulla saavutettuja etuja ovat käyttökohteesta riippuen esimerkiksi kymmenien prosenttien massa- ja kustannussäästöjen kautta kumuloituvat konstruktion toiminnalliset edut. Suuren lujuuden terästen materiaaliteknisten erityispiirteiden suhteen ei kuitenkaan ole tarjolla perinteisiä rakenneteräksiä vastaavaa määrää yhteisesti sovittuja standardoituja suunnitteluohjeita. Tämän johdosta korostuu suunnittelijan kyky hahmottaa teräsmateriaalin lujuusluokan taakse piiloutuvat ilmiöt, sekä materiaalitekniset erityispiirteet ja niiden kytkeytyminen toisiinsa valmistettavuuden ja toiminnallisuuden kautta.

Vuokamallisten kartonkipakkausten laadunvarmistuslaitteiston kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli kehittää vuokamallisille kartonkipakkauksille laadunvarmistuslaitteisto. Kirjallisen osan alussa esiteltiin vuokamallisten kartonkipakkausten valmistusprosessia. Tästä siirryttiin laatuasioihin, jossa tärkeimmät asiat olivat kartonkivuokien valmistuksessa esiintyvät laatupoikkeamat ja konenäkö. Tutkimusosan alussa esitellään Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitetty kartonkivuokien valmistuslinjasto. Tämän jälkeen vaatimuslistan pohjalta suunnitellaan kyseiseen linjastoon sopiva automaattinen laadunvalvontalaite, johon sisältyy myös kartonkivuokien siirtolaite. Suunnitteluprosessi aloitettiin koekuvaamalla kartonkivuokia erilaisilla kameroilla ja valaistusmenetelmillä. Koekuvausten perusteella valittiin konenäkölaitteisto. Tämän jälkeen toiminnoista luotiin periaatepiirroksia, joista kehitettiin varsinainen suunnitelma. Työn tuloksena saatiin suunnitelma konenäköön perustuvan automaattisen laadunvalvontalaitteen rakentamiselle.

Laserhitsattavan tuotteen suunnittelu

Tässä työssä tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen suunnittelua ja sen tuotekehitykseen liittyviä tekijöitä. Tuotteen suunnittelua käsitellään valmistuksellisesta näkökulmasta, eli siitä, kuinka tuotteen suunnittelussa voidaan ottaa huomioon tuotteen valmistus- ja kokoonpanoystävällisyys. Laserhitsattavan tuotteen suunnittelua käsitellään myös tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli kuinka lopullisesta tuotteesta saadaan mahdollisimman laadukas ja kilpailukykyinen. Suomen kaarihitsausosaaminen on kansainvälisesti korkealuokkaista, mutta laserhitsaus eroaa perinteisistä kaarihitsausprosesseista paljon. Kun laserilla hitsattavaa tuotetta suunnitellaan, ovat menetelmäkohtaiset suunnittelusäännöt erilaiset kuin kaarihitsauksessa. Laserhitsaus vaatii teknisesti pajalta enemmän, mutta se myös avaa uusia ovia tuotesuunnittelulle ja mahdollistaa tuotteita, jotka olisivat perinteisillä menetelmillä hankalia tai mahdottomia valmistaa. Oikein käyttöönotettuna laserhitsauksella voidaan päästä matalampiin valmistuskustannuksiin. Kustannustehokkaaseen tuotantoon päästäkseen täytyy kuitenkin ymmärtää tuotteen kustannusrakenne. Työn lopussa tarkastellaan ja vertaillaan perinteisen ja laserhitsatun tuotteen kustannuksia ja kustannusrakennetta.

Pyörivän palopään suunnittelu

Työssä suunniteltiin pienten kiinteistöjen keskuslämmityksen käyttöön kiinteää polttoainetta käyttävä palopää, jossa palopään pyörimisliike sekoittaa polttoainetta palamisen aikana. Polttoaineen sekoittamisella pyritään parantamaan palamisen hyötysuhdetta ja vähentämään haitallisia päästöjä. Laitteen suunnittelu toteutettiin systemaattista koneensuunnittelun metodia mukaillen. Työn aihe rajattiin koskemaan ainoastaan palopään mekaniikan suunnittelua ja mitoitusta. Suunnittelussa pyrittiin huomioimaan valmistusystävällisyys ja minimoimaan kustannukset. Laitteen suunnittelussa käytettiin SolidWorks 2014 – ohjelmaa.

Item-level life-cycle model for maintenance network – from cost to additional value

The importance of industrial maintenance has been emphasized during the last decades; it is no longer a mere cost item, but one of the mainstays of business. Market conditions have worsened lately, investments in production assets have decreased, and at the same time competition has changed from taking place between companies to competition between networks. Companies have focused on their core functions and outsourced support services, like maintenance, above all to decrease costs. This new phenomenon has led to increasing formation of business networks. As a result, a growing need for new kinds of tools for managing these networks effectively has arisen. Maintenance costs are usually a notable part of the life-cycle costs of an item, and it is important to be able to plan the future maintenance operations for the strategic period of the company or for the whole life-cycle period of the item. This thesis introduces an itemlevel life-cycle model (LCM) for industrial maintenance networks. The term item is used as a common definition for a part, a component, a piece of equipment etc. The constructed LCM is a working tool for a maintenance network (consisting of customer companies that buy maintenance services and various supplier companies). Each network member is able to input their own cost and profit data related to the maintenance services of one item. As a result, the model calculates the net present values of maintenance costs and profits and presents them from the points of view of all the network members. The thesis indicates that previous LCMs for calculating maintenance costs have often been very case-specific, suitable only for the item in question, and they have also been constructed for the needs of a single company, without the network perspective. The developed LCM is a proper tool for the decision making of maintenance services in the network environment; it enables analysing the past and making scenarios for the future, and offers choices between alternative maintenance operations. The LCM is also suitable for small companies in building active networks to offer outsourcing services for large companies. The research introduces also a five-step constructing process for designing a life-cycle costing model in the network environment. This five-step designing process defines model components and structure throughout the iteration and exploitation of user feedback. The same method can be followed to develop other models. The thesis contributes to the literature of value and value elements of maintenance services. It examines the value of maintenance services from the perspective of different maintenance network members and presents established value element lists for the customer and the service provider. These value element lists enable making value visible in the maintenance operations of a networked business. The LCM added with value thinking promotes the notion of maintenance from a “cost maker” towards a “value creator”.

In vitro precision of fit of computer-aided designed and computer-aided manufactured titanium screw-retained fixed dental prostheses before and after ceramic veneering

OBJECTIVE To compare the precision of fit of full-arch implant-supported screw-retained computer-aided designed and computer-aided manufactured (CAD/CAM) titanium-fixed dental prostheses (FDP) before and after veneering. The null-hypothesis was that there is no difference in vertical microgap values between pure titanium frameworks and FDPs after porcelain firing. MATERIALS AND METHODS Five CAD/CAM titanium grade IV frameworks for a screw-retained 10-unit implant-supported reconstruction on six implants (FDI tooth positions 15, 13, 11, 21, 23, 25) were fabricated after digitizing the implant platforms and the cuspid-supporting framework resin pattern with a laser scanner (CARES(®) Scan CS2; Institut Straumann AG, Basel, Switzerland). A bonder, an opaquer, three layers of porcelain, and one layer of glaze were applied (Vita Titankeramik) and fired according to the manufacturer's preheating and fire cycle instructions at 400-800°C. The one-screw test (implant 25 screw-retained) was applied before and after veneering of the FDPs to assess the vertical microgap between implant and framework platform with a scanning electron microscope. The mean microgap was calculated from interproximal and buccal values. Statistical comparison was performed with non-parametric tests. RESULTS All vertical microgaps were clinically acceptable with values <90 μm. No statistically significant pairwise difference (P = 0.98) was observed between the relative effects of vertical microgap of unveneered (median 19 μm; 95% CI 13-35 μm) and veneered FDPs (20 μm; 13-31 μm), providing support for the null-hypothesis. Analysis within the groups showed significantly different values between the five implants of the FDPs before (P = 0.044) and after veneering (P = 0.020), while a monotonous trend of increasing values from implant 23 (closest position to screw-retained implant 25) to 15 (most distant implant) could not be observed (P = 0.169, P = 0.270). CONCLUSIONS Full-arch CAD/CAM titanium screw-retained frameworks have a high accuracy. Porcelain firing procedure had no impact on the precision of fit of the final FDPs. All implant microgap measurements of each FDP showed clinically acceptable vertical misfit values before and after veneering. Thus, the results do not only show accurate performance of the milling and firing but show also a reproducible scanning and designing process.

Cognitive Bias in Knowledge Engineering Course

The paper presents experience in teaching of knowledge and ontological engineering. The teaching framework is targeted on the development of cognitive skills that will allow facilitating the process of knowledge elicitation, structuring and ontology development for scaffolding students’ research. The structuring procedure is the kernel of ontological engineering. The 5-steps ontology designing process is described. Special stress is put on “beautification” principles of ontology creating. The academic curriculum includes interactive game-format training of lateral thinking, interpersonal cognitive intellect and visual mind mapping techniques.

Analyzing the effect of connecting horizontal tidal stream turbines on the pier of a sea established bridge

In this thesis, producing ability of electricity by horizontal tidal current turbines and installing possibility of these turbines on bridge's piers in the marine environments has been studied to reduce primary implementation costs and make the plan, economical. To do this and to study its feasibility, the exerted forces from installing horizontal tidal current turbines were compared with the forces applied to the bridge structure during designing process (given in the Standards). Then, the allowable ranges of the overloading which is tolerable by the piers of the bridge were obtained. Accordingly, it is resulted that for installing these turbines, the piers of the existing bridges are required to be strengthened. Because of increasing usage of renewable powers and as a suggestion, the exerted forces from installing turbine for loading coefficients of different Standards are given. Finally as an example, preliminary designing of a horizontal tidal current turbine was carried out for Gesham Channel and the forces exerted from turbine to the bridge's pier were calculated for the future usage in order to create a test site of real dimensions.