Residual stresses in rotating steel cylinders with composite surface layers

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kanerva, Mikko
dc.contributor.author Haavisto, Mikko
dc.date.accessioned 2015-01-30T10:02:09Z
dc.date.available 2015-01-30T10:02:09Z
dc.date.issued 2015-01-26
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15086
dc.description.abstract After undergoing a manufacturing process, materials may exhibit internal stresses referred to as residual stresses. In steel-composite hybrid structures, residual stresses are typically formed due to the unequal thermal behaviour of the steel and composite. Thus, knowledge of the residual stress state is important in the assessment of the external-internal loading in steel-composite hybrid structures. This thesis primarily focuses on estimating the criticality of the residual stress state in a paper machine roll structure consisting of a steel cylinder and glass fibre reinforced epoxy composite surface layers. Of special interest is evaluating the bond between the cylinder and surface layers with different surface layer edge geometries by studying stress and crack tip loading levels. A secondary aim is to provide an extensive overview of the physical background of residual stress formation and special characteristics of residual stress numerical simulations and related material modelling. Numerical simulation models introduced in this study were employed to evaluate the residual stress state and its effects in the roll structure. The scope of the simulations was limited to thermal residual stresses during the cool-down phase. The emerging stress state was not found to be critical as regards the cohesive strength of surface layers. However, the bond between the cylinder and associated surface layer was evaluated as being critical in the event of an initial flaw. Thus, a crack in the bond edge may grow due to the loading induced by the residual stresses. Cylinder rotation was found to have no significant effect on the crack tip loading and a nip effect was shown not to increase the crack tip loading criticality near the nip contact area. Experimental methods could prove useful in creating more precise material models and improving simulation accuracy. In addition, the obtained simulation results for residual stress levels and crack tip loading could be validated experimentally. en
dc.description.abstract Jäännösjännitykset ovat valmistusprosessin yhteydessä syntyviä materiaalin sisäisiä jännityksiä. Teräs-komposiitti-hybridirakenteissa jäännösjännityksiä muodostuu tyypillisesti materiaalien erilaisen lämpölaajenemisen johdosta. Jäännösjännitysten arviointi on välttämätöntä, jos teräs-komposiittirakenteiden kokonaiskuormittuminen halutaan arvioida tarkasti. Tämän diplomityön päätavoitteena oli arvioida jäännösjännitysten kriittisyyttä paperikoneen telarakenteessa, joka koostuu lasikuidulla vahvistetusta epoksikomposiittipinnoitteesta ja terässylinteristä. Erityisesti komposiittikerrosten ja terässylinterin välistä liitosta haluttiin arvioida erilaisilla pinnoitteen reunageometrioilla tarkastelemalla jännitystasoja sekä mahdollisen särön kärjen kuormittumistasoja. Työn toisena tavoitteena oli tarjota laaja yleiskatsaus jäännösjännitysten muodostumisen fysikaalisiin perusteisiin ja jäännösjännitysten numeerisen simuloinnin sekä siihen liittyvän materiaalien mallintamisen erityispiirteisiin. Tässä diplomityössä esitellään numeerisia simulaatiomalleja, joita käytettiin arvioimaan jäännösjännitysten tilaa ja vaikutuksia telarakenteessa. Simuloinnit rajattiin lämpöjäännösjännityksien analysointiin valmistuksen jäähtymisvaiheessa. Tulosten mukaan syntyvä jäännösjännitystila ei ollut kriittinen pinnoitteen lujuuden kannalta. Sylinterin ja pinnoitteen liitoksessa olevan mahdollisen särön kärjen energiatasot olivat kuitenkin tietyillä reunasärön pituuksilla kriittisiä. Liitoksen reunaan syntyvä särö saattaa siis kasvaa jäännösjännityskuormituksen johdosta. Sylinterin pyörimisen vaikutuksen todettiin olevan merkityksetön särön kärjen kuormittumisen kannalta ja nippivaikutuksen ei todettu kasvattavan särön kärjen kuormittumistason kriittisyyttä lähellä kontaktialuetta. Jatkossa voitaisiin luoda tarkempia materiaalimalleja parantamaan simulaatioiden tarkkuutta. Lisäksi saadut simulointitulokset jäännösjännitystasoista voitaisiin vahvistaa kokeellisesti. fi
dc.format.extent 71+4
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Residual stresses in rotating steel cylinders with composite surface layers en
dc.title Jäännösjännitykset komposiittipinnoitetuissa pyörivissä terästeloissa fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword residual stresses en
dc.subject.keyword steel cylinder en
dc.subject.keyword composite surface layers en
dc.subject.keyword finite element method en
dc.subject.keyword virtual crack closure technique en
dc.subject.keyword VCCT en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201501301808
dc.programme.major Lentotekniikka fi
dc.programme.mcode K3004 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Saarela, Olli
dc.programme Konetekniikan koulutusohjelma fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account