Resonance phenomena of polymer-covered cylinders under rolling contact

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorvon Hertzen, Raimo, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, Finland
dc.contributor.authorKarttunen, Anssi
dc.contributor.departmentSovelletun mekaniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Mechanicsen
dc.contributor.labMechanics of Materialsen
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorTuhkuri, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, Finland
dc.date.accessioned2015-11-11T10:01:59Z
dc.date.available2015-11-11T10:01:59Z
dc.date.defence2015-12-15
dc.date.issued2015
dc.description.abstractIn paper machines the paper is fed through the contact areas, the nips, between rolling cylinders which are often covered with polymers. A soft polymer nip gives the paper a glossy surface and a smooth thickness profile with uniform density. Although the use polymer covers is beneficial in terms of end-product quality, the covers also induce and suffer from harmful dynamic phenomena. In this dissertation two such phenomena, a self-excited vibration mechanism and a traveling wave phenomenon, were studied in detail to understand their essential features. At all instances, the studied system consisted of two steel-core cylinders with a polymeric cover on the other cylinder.  The self-excited vibration mechanism was first investigated using a one-dimensional (1D) analytical model. It was found that the mechanism is active when the frequency of the cover deformation induced excitation is close to that eigenfrequency of the system, which corresponds to the eigenmode in which the cylinders are vibrating in opposite phases. The vibrations are strongest when the phase of the residual deformation of the cover leads the phase of the nip gap between the cylinders by 90 degrees. Next, simulations were performed using a two-dimensional (2D) plane strain finite element (FE) model and cover deformation patterns were obtained. The results from the 1D and 2D models were found to be in good agreement. Finally, the computational and obtained experimental results were compared to validate the model-based physical interpretations. The physical explanation given by the 1D analytical model for the self-excited vibration mechanism was found to be valid.  The traveling wave phenomenon was first studied using a 2D plane strain FE model. A critical speed below which the traveling waves did not appear was calculated on the basis of a resonance condition using modal information from eigenmode analysis. After dynamic rolling contact simulations it was found that the traveling wave phenomenon is best described as a Rayleigh wave resonance in which contact-induced modified Rayleigh waves arise in the nip at critical and supercritical rolling speeds and the waves superpose to form a strong traveling wave. Next, a 1D analytical cover model was developed for an elastic cylinder cover with damping. It was found that the 1D model captures the essential features of the traveling wave phenomenon. The 1D model was developed further so that the cover material was described as a frequency-dependent viscoelastic polymer. The viscoelastic model offers a simple tool for calculating estimates for the critical speeds of polymer covers in industrial use.en
dc.description.abstractPaperikoneissa paperi kulkee pyörivien telojen kontaktialueiden eli nippien läpi. Telat on usein päällystetty polymeereillä. Pehmeä polymeerinippi antaa paperille kiiltävän pinnan sekä tasaisen paksuusprofiilin ja tiheysjakauman. Vaikka polymeeripinnoitteiden käyttäminen onkin hyödyllistä lopputuotteen laadun kannalta, pinnoitteet kärsivät myös haitallisista dynaamisista ilmiöistä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahta tällaista ilmiöitä – itseherätteistä värähtelymekanismia ja etenevää aaltoilmiötä. Työn tarkoituksena oli selvittää näiden ilmiöiden keskeiset piirteet. Kaikissa tutkimuksen vaiheissa tutkittava telasysteemi koostui kahdesta pyörivästä telasta ja toinen tela oli päällystetty polymeeripinnoitteella.  Itseherätteistä värähtelymekanismia tarkasteltiin ensin käyttäen yksiulotteista analyyttista mallia. Tutkimuksessa selvisi, että värähtelymekanismi on aktiivinen, kun pinnoitteen aiheuttaman pakkoherätteen ominaistaajuus on lähes sama kuin ominaistaajuus, joka vastaa ominaismuotoa, jossa telat värähtelevät vastakkaisissa vaiheissa. Värähtelyt ovat voimakkaimmillaan, kun pinnoitteen jäännösmuodonmuutoksen vaihe on 90 astetta nippiraon vaihetta edellä. Seuraavaksi värähtelyitä tutkittiin käyttäen kaksiulotteista tasovenymäelementtimallia, jonka avulla mallinnettiin värähtelymekanismin aiheuttamia telapinnoitemuodonmuutoksia. Tutkimuksen viimeisessä vaiheessa yksi- ja kaksiulotteisia laskennallisia tuloksia ja kokeellisia tuloksia verrattiin toisiinsa laskennallisten mallien ja niiden perusteella muodostettujen fysikaalisten tulkintojen vahvistamiseksi.  Etenevää aaltoilmiötä tutkittiin ensin käyttäen kaksiulotteista elementtimallia tasovenymätilassa. Ominaismuotoanalyysin tulosten perusteella telapinnoitteelle laskettiin kriittinen nopeus, jonka alapuolella etenevät aallot eivät ilmesty telapinnoitteeseen. Dynaamisten kontaktisimulaatioiden jälkeen todettiin, että etenevää aaltoilmiöitä on parasta käsitellä Rayleigh-aaltoresonanssina, jossa telakontaktin aiheuttamat modifioidut Rayleigh-aallot syntyvät nipissä sekä kriittisillä että ylikriittisillä nopeuksilla ja summautuvat voimakkaaksi eteneväksi aalloksi. Seuraavaksi aaltoilmiöitä kuvaamaan kehitettiin yksiulotteinen malli vaimennetulle elastiselle telapinnoitteelle. Vertailemalla keskenään yksi- ja kaksiulotteisista malleista laskettuja tuloksia todettiin, että yksiulotteinen malli kuvaa hyvin etenevän aaltoilmiön keskeisimmät ominaisuudet. Mallia jatkokehitettiin siten, että pinnoitemateriaali kuvattiin taajuusriippuvaisena viskoelastisena aineena. Näin ollen mallilla voidaan helposti laskea teollisuudessa käytettävien telapinnoitteiden kriittiset nopeudet.fi
dc.format.extent50 + app. 54
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6502-1 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6501-4 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/18507
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6502-1
dc.language.isoenen
dc.opnMetrikine, Andrei, Prof., Delft University of Technology, Netherlands
dc.opnMikkola, Aki, Prof., Lappeenranta University of Technology, Finland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Anssi T. Karttunen and Raimo von Hertzen. Polymer cover induced self-excited vibrations of nipped rolls. Journal of Sound and Vibration, 330, 3959–3972, 2011. DOI: 10.1016/j.jsv.2011.03.016
dc.relation.haspart[Publication 2]: Anssi T. Karttunen and Raimo von Hertzen. On the self-excited vibrations of a viscoelastically covered cylinder in rolling contact using FE method. Journal of Structural Mechanics – Special issue for NSCM-24, 44, 231–242, 2011.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Anssi T. Karttunen and Raimo von Hertzen. A numerical study of traveling waves in a viscoelastic cylinder cover under rolling contact. International Journal of Mechanical Sciences, 66, 180–191, 2013. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2012.11.006
dc.relation.haspart[Publication 4]: Anssi T. Karttunen and Raimo von Hertzen. Dynamic response of a cylinder cover under a moving load. International Journal of Mechanical Sciences, 82, 170–178, 2014. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2014.03.026
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries179/2015
dc.revMetrikine, Andrei, Prof., Delft University of Technology, Netherlands
dc.revSueoka, Atsuo, Prof., Kyushu Polytechnic College, Japan
dc.subject.keywordvibrationen
dc.subject.keywordwave propagationen
dc.subject.keywordresonanceen
dc.subject.keywordpolymeren
dc.subject.keywordviscoelasticityen
dc.subject.keywordcontacten
dc.subject.keywordvärähtelyfi
dc.subject.keywordetenevä aaltofi
dc.subject.keywordresonanssifi
dc.subject.keywordpolymeerifi
dc.subject.keywordviskoelastisuusfi
dc.subject.keywordkontaktifi
dc.subject.otherMechanical engineeringen
dc.titleResonance phenomena of polymer-covered cylinders under rolling contacten
dc.titlePolymeeripinnoitettujen pyörivien kontaktitelojen resonanssi-ilmiötfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64675
local.aalto.formfolder2015_11_11_klo_10_55
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526065021.pdf
Size:
2.62 MB
Format:
Adobe Portable Document Format