Aalto University School of Engineering. INSINÖÖRITIETEIDEN TULEVAISUUSFOORUMI Mekaniikka insinööritieteissä

Transkriptio

1 Aalto University School of Engineering INSINÖÖRITIETEIDEN TULEVAISUUSFOORUMI Mekaniikka insinööritieteissä Jani Romanoff

2

3 Sisältö Mekaniikan esimerkkejä Mekaniikan rooli insinöörityössä Viikkotehtävä Insinöörimekaniikan haasteita Esimerkkejä sovelluksista Materiaalit ja rakenteet Lujuusoppi Virtausmekaniikka Arktinen tekniikka Turvallisuus- ja riskianalyysit Mekaniikka työkaluna Vaadittavat valmiudet Biomimicry

4

5 Viikkotehtävä Ryhmätyö - Osa 1: kirjoittakaa 4-5 riviä mihin mekaniikka on mielestänne menossa vuoteen 2060 mennessä? Mikä sen rooli on insinööritieteissä? Millaisia työkaluja insinööri tarvitsee työssään? - Osa 2: kerätkää 3-5 hengen ryhmä, jakakaa mielipiteenne ja jalostakaa yhdessä 4-5 rivin käsitys asiasta (ei copy-paste). Raportoikaa työ yhdessä dokumentissa, josta käy ilmi Osien 1 kirjoittajien nimet ja opintonumerot. Osa 2 tulee näiden jälkeen. Molemmat osat pitää tehdä. Yksinään tehty työ - Osa 1: kirjoittakaa 4-5 riviä mihin mekaniikka on mielestänne menossa vuoteen 2060 mennessä? Mikä sen rooli on insinööritieteissä? Millaisia työkaluja insinööri tarvitsee työssää? - Osa 2: miten tämä vaikuttaa tekeillä olevan HOPSin laatimiseen? Miten aiot opiskella mekaniikka kandi- ja maisterivaiheessa (minimi, maksimi, tukevat kurssit jne)? Raportoi työ yhdessä dokumentissa, josta käy ilmi nimesi ja opintonumero. Molemmat osat pitää tehdä.

6 Mekaniikan esimerkkejä pieni otos Kuormien/vastuksen/liikkeiden, rasitusten, muodonmuutosten ja lujuuden määrittäminen Luotettavuusanalyysit Optimointi Turvallisuussimulaatiot Yg-qZgcQ Onnettomuustutkinta ybtixrjc Koneiden ja rakennusten purkaminen gvv9jqi

7 Mekaniikan rooli insinöörityössä Rakenteet Palkit Laatat ja kuoret Solidit Maa-aines Nesteet Kaasut Optimointi Luotettavuus Mekanismit Mekatroniikka

8 Insinöörimekaniikan haasteita Simulointi, mallinnus ja virtuaaliprototyypit vaativat myös sisällöntuotantoa, eli insinööriosaamista. Realistinen simulointi edellyttää perusilmiöiden ymmärtämistä: "physics based engineering toimivat analyyttiset/numeeriset menetelmät ilmiöiden mallinnukseen rakenteiden suunnittelu- ja optimointimenetelmien kehittäminen Myös kokeellinen tutkimus on tärkeää: mittaustekniikka, testaus, monitorointi, teoreettisten mallien verifiointi Rakenteiden ja laitteiden luotettavuuden, turvallisuuden taloudellisuuden ja käytettävyyden parantuminen Simulointi elementtimenetelmää käyttäen Koetulosten digitalisointi

9 Mitä insinöörimekaniikkaa opiskelleet insinöörit tekevät? Suunnittelua ja analyysiä yrityksissä Tutkimusta tutkimuslaitoksissa ja yliopistoissa Laskelmia tietokoneella, teoreettista työtä, kokeellista työtä laboratorioissa ja kentällä Vaativien mekaniikan ongelmien ratkaisemista, mekaniikan soveltamista Valvovat/tarkistavat muiden tekemiä laskelmia Laskuja Oletuksia Töitä on runsaasti tarjolla Optimointi (monitavoite) FEA j 3 INFEA j j

10 Rakenteissa tutkittavat ilmiöt Materiaalien ja materiaaliyhdistelmien kuormitusvaste makro-, meso- ja mikrotasolla äärilujuus ja pettämismekanismit (ml. ympäristövaikutukset) väsyminen ja viruminen (ml. ympäristövaikutukset) Rakenne-elementtien ja rakenteiden kuormitusvaste stabiliteetti värähtelyominaisuudet Rakenteiden käytönaikainen kuormittuminen, erityisesti äärikuormat ja elinaikaiset kuormat (kuormien tilastollisuus huomioon ottaen)

11 Materiaalien kokeellinen tutkimus O Saarela

12 Insinöörimallit ja elementtimenetelmä Rakenteiden ja koneenosien mekaanista käyttäymistä simuloidaan insinöörimallien analyyttisillä ja numeerisilla ratkaisuilla. Esimerkki insinöörimallista (käyrä palkki): F + b = 0 s Î W M + e s F + c = 0 s Î W nf - F = 0 tai u - u = 0 s Î W nm - M = 0 tai q -q = 0 s Î W

13 Materiaalimekaniikan tutkimus O Saarela

14 Kehittyneiden teräsrakenteiden lujuuden mallinnus Ilmiön fysikaalinen luonne: Väsymisvaurio alkaa pienestä valmistuksessa syntyneestä virheestä ja kasvaa toistuvan kuormituksen alla aiheuttaen lopulta rakenteen pettämisen Tutkimusmenetelmät: Väsymisilmiön monimutkaisesta fysikaalisesta luonteesta johtuen ilmiölle ei ole olemassa tarkkaa fysikaalista teoriaa, ja tutkimuksessa käytetäänkin useita toisiaan tukevia menetelmiä kuten numeerista mallinnusta (FEM), ja kokeellisia menetelmiä (väsytyskokeet) Aiheeseen liittyviä kursseja: Matematiikan ja fysiikan kurssit antavat perusteet fysikaalisen ilmiön matemaattisen mallinnukseen sekä opettavat perustaitoja fysikaalisen ilmiöin havainnointiin Statiikan, mekaniikan, materiaalitekniikan sekä lujuusopin kurssit luovat ymmärryksen materiaalien ja rakenteiden käyttäytymisestä sekä niiden mallinnukseen käytettävistä menetelmistä Esim. meri-, lento- ja rakennustekniikan kurssit tarjoavat syvällisen ymmärryksen rakenteiden suunnittelusta, mallinnusperiaatteista ja tuotantotekniikasta

15 Tyypilliset insinööriongelmat Case. laskennallinen merihydrodynamiikka Merihydrodynamiikassa tarkastellaan nesteen vuorovaikutusta laivojen ja erilaisten kelluvien tai ankkuroitujen merirakenteiden välillä Tyypillisiä merihydrodynamiikan insinööriongelmia ovat Laivan tai rakenteen hydrodynaaminen suunnittelu Hydrodynaamisen suorituskyvyn ennustaminen Vastus Propulsioteho Ohjailtavuus Aaltojen aiheuttamat voimat Liikkeet aallokossa Hydrodynaamisen suorituskyvyn optimointi Merihydrodynamiikassa on siirrytty enenevissä määrin laskennallisen virtausmekaniikan ja simuloinnin käyttöön Tämä trendi tulee vahvistumaan entisestään Alan tutkimuksessa tyypillisiä tutkimusongelmia ovatkin Entistä luotettavampien mallinnusmenetelmien kehittäminen Entistä monimutkaisempien virtausongelmien mallintaminen Uusien virtausilmiöiden tunnistaminen ja selittäminen Todellisuudesta numeeriseksi malliksi Numeerisen mallin ratkaisu ja jälkikäsittely

16 Mallinnuksen ja simuloinnin periaatteet Mallintamisen taustalla ovat yleiset fysiikan peruslait (mm. voimien tasapaino, säilymislait) Statiikka ja dynamiikka Kontinuumimekaniikka Virtausmekaniikka Kiinteän aineen mekaniikka Tyypillisesti mallintamisen prosessi noudattaa oheista kaaviota Mallintamiseen käytetyt menetelmät ovat osin samoja tai hyvin samankaltaisia (differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen, esim. FEM, CFD) Sovelletun mekaniikan eri aloilla vaadittavassa osaamisessa on myös paljon yhtäläisyyksiä Osaamisen keskiössä ovat Perusilmiöiden fysiikan ymmärtäminen ja ongelmien yksinkertaistaminen Hyvät matemaattiset perusvalmiudet Mekaniikan ilmiöiden matemaattinen mallintaminen Mekaniikan matemaattisten mallien ratkaisemiseen liittyvät numeeriset menetelmät Perusohjelmointitaidot Teknistieteellinen dokumentointikyky (raportointi, kuvien ja graafien laatiminen, laajojen tietoaineistojen hallinta)

17 Turvallisuusanalyysit Case. laiva Laiva suunnitellaan ankariin ja vaihteleviin luonnon olosuhteisiin Laiva on yksi monimutkaisimmista ja suurimmista ihmisen kehittämistä tuotteista Meriliikenteen turvallisuus on tärkeää sekä yhteiskunnan että yksittäisten ihmisten kuten matkustajien kannalta Meriliikenne on kasvanut voimakkaasti viime vuosina ja kasvaa edelleen todennäköisyys onnettomuuksille kasvaa ellei turvallisuutta pyritä systemaattisesti parantamaan Riski = todennäköisyys x seuraus

18 Miten parantaa turvallisuutta? Katse taaksepäin Katse eteenpäin Onnettomuuksien analysointi Riskianalyysit Toimet muilla aloilla Katse sivulle

19 Riskipohjainen prosessi vaatii syvälliset tiedot monimutkaisista osatekijöistä Kuormat Rakenne ja materiaalit Propulsio Osastointi Ohjailu Komentosilta toimet ja layout Miehistön kyky +++ Onnettomuudet Todennäköisyys Seuraukset?

20 Onnettomuus usein usean osatekijän tapahtumaketju

21 Esimerkki mekaniikan viitekehyksestä Lujuusoppi Lujuusoppi on sovelletun mekaniikan haara, joka tutkii rakenteiden käyttäytymistä kuormitusten alaisina Rakenteita: majakka, lentokoneen siipi, laiva, paperi, tennismaila, sääriluu Käyttäytymistä: siirtymät, venymät, jännitykset, murtumat, rakennevauriot, värähtelyt Kuormitukset: staattiset, vaihtelevat, dynaamiset Laskennalliset menetelmät, rakenteiden värähtelyt, murtumismekaniikka, väsyminen, materiaalien mallintaminen, kokeellinen lujuusoppi Antaa pohjan useiden erilaisten mekaniikkaan liittyvien teknisten laitteiden suunnitteluun ja ongelmien ratkaisuun.

22 Esimerkki mekaniikan viitekehyksestä Arktinen meritekniikka ja jäämekaniikka Tärkeää Suomelle: merikuljetukset ja niiden turvallisuus (kaikki satamat jäätyvät talvella), merirakenteet Ilmasto lämpenee pohjoisessa nopeammin kuin muualla: hyvin tärkeä ympäristökysymys, vaikuttaa merenkulkuun ja luonnonvarojen hyödyntämiseen Tällä hetkellä kansainvälisesti suuri teollinen, poliittinen ja tieteellinen kiinnostus arktisiin kysymyksiin. Aalto-yliopistossa: Aktiivista tutkimusta ja pitkät perinteet, Arktinen tekniikkaa yksi tutkimuksen painopisteistä Insinööritieteiden korkeakoulussa

23 Osaamisen kehittäminen Esim. virtausmekaniikka Osaamisen kehittymistä tukevat opetuksessa Perusmekaniikan opetus (tasapainoyhtälöt, säilymislait, tensorit) Yleisen virtausmekaniikan opetus Hydro- ja aerodynamiikan sekä muiden erikoisalojen opetus Matematiikan perusopetus (esim. differentiaaliyhtälöt, numeeriset ratkaisumenetelmät, matriisilaskenta, optimointi) Ohjelmointiopetus (ohjelmointikielet, matematiikkaohjelmistot) Simulointiohjelmistojen käyttö Alalla on valtava määrä sarjajulkaisuja, joita seuraamalla saa hyvän kuvan alasta ja sen kehityssuunnasta Yleislehdet (esim. Journal of Fluid Mechanics, Annual Reviews of Fluid Mechanics, Journal of Fluids and Structures) Laskennallinen virtausmekaniikka (esim. Computers & Fluids, International Journal of Numerical Methods in Fluids) Kokeellinen virtausmekaniikka (esim. Experiments in Fluids) Alaspesifiset lehdet (esim. AIAA journal, Journal of Marine Science and Technology, Ocean Engineering, Journal of Turbomachinery) Alan foorumeita kannattaa myös seurata (mm. CFD Online, ERCOFTAC)

24 Mekaniikka työkaluna Mekaniikan avulla voidaan tutkia esim. rakenteen kuormia, vastetta ja lujuutta Laskennallisesti Kokeellisesti Työkaluja on paljon: products/velocity/femap/ Työkalut on erittäin hyviä ja tehostaa suunnittelua merkittävästi Nopeus Tarkkuus Optimointi Työkaluissa on kuitenkin puutteita, joita ei yleensä kerrota jollei erikseen niistä kysy tämän takia tarvitaan mekaniikan osaamista Vastuu suunnittelutuloksesta on suunnittelijalla Aina ei tarvita simulaatiota tai koetta Kun ne on tehty on helpompaa nukkua yöt!

25 Esimerkkejä matemaattisia valmiuksia vaativista mekaniikan sovelluksista Todennäköisyyslaskenta

26 Esimerkkejä matemaattisia valmiuksia vaativista mekaniikan sovelluksista Dynamiikka ja liikeyhtälöt x c x k x x F t x m,

27 Esimerkkejä matemaattisia valmiuksia vaativista mekaniikan sovelluksista Differentiaaliyhtälöt ja niiden numeerinen ratkaisu

28 Esimerkkejä matemaattisia valmiuksia vaativista mekaniikan sovelluksista Optimointi (monitavoite) FEA j 3 INFEA j f1 x, f 2 x,.., fi x x 0, g2 x 0,..., g j x x 0, h x 0,..., h x 0 min g h k j

29 Yhteenveto Mekaniikan luova ja kriittinen yhdistely Luonnon jäljittely (innovointi) Luotettavuusanalyysi Numeerinen analyysi & simulointi Ilmiöiden havainnointi Optimointi Mallintaminen (materiaali) Kokeellinen tutkimus FEA j INFEA j j