Digitaalinen koneenrakennus / Virtuaalisuunnittelu

Transkriptio

1 Digitaalinen koneenrakennus / irtuaalisuunnittelu Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

2 Taustaa 0 vuoden aikana tietokoneen laskentakustannus vähenee kertoimella 000 ja Internetin tiedonsiirtokyky lisääntyy kertoimella 00 (Mooren laki) Suurin osa suunnittelusta tehdään jo 3D CADillä Tuotteiden elinkaari on lyhentynyt, suunnitteluaika ja suunnittelun tarkkuus entistä tärkeämää Suunnittelun hajautuminen maantieteellisesti useaan aikkaan Tarve ystyä arvioimaan ja esittelemään suunitelmaa suunnitteluryhmälle, johdolle ja asiakasryhmille sekä esittelemään vaihtoehtoisia skenarioita Asiastareiden aremi ymmärtäminen Käyttäjäkokemuksen ymmärtäminen Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

3 3 Tareet Tuotekehitysaikojen lyhentäminen Tuotekehitysrosessin hallinta Automaatio- ja suoritusarvotason nostaminen Suorituskyky Säätösuunnittelu Ohjausjärjestelmän testaus irtuaalinen rototyyi Säätöjärjestelmänsuunnittelu irtuaalinen rototyyi Markkinoinnin tuki Markkinointimateriaali Mainosvideot Suunnittelun laadun arantaminen Toteutusvaihtoehdot Komonenttien mitoitus Hydrauliikan suunnittelu Mekanismin suunnittelu Liikealue Nivelisteet Kuormitukset FEM-analyysiin äsymisikä Mikroelektroniikan sulauttaminen loutuotteisiin Markkinoinnin tuki Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

4 4 irtuaalisunnittelu - edut ja haitat noeaa järjestelmän testaus on yleensä hidasta, kallista ja joskus vaarallista toisettavat vertailuolosuhteet rototyyi on yleensä olemassa ja mitattavissa tärkeimien suureiden (aine, siirtymä) mittaus on heloa toteutusratkaisuja ja mitoitusta voidaan otimoida enemmän koneiden dynaamiset ominaisuudet oitaan tuntemaan aremmin Muuttuneista rosessitekijöistä aiheutuvat ongelmat kyetään ratkaisemaan noeammin simulointimallin käyttöönotto vaatii huomattavan määrän työtä ja asiantuntemusta. väärin tulkittuna tulokset voivat myös johtaa harhaan innovaatioiden arviointi Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

5 5 Simulointirojekti Tehtävän määrittely Mallin formulointi Mallin arametriarvojen selvittäminen Simuloinnit Tulosten tulkinta Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

6 6 Mahdollisia syitä simulointirojektin eäonnistumiseen Eämääräinen tavoite Asiantuntemuksen ja henkilöresurssien uute Liian yksinkertainen malli äärät työkalut Puutteellinen dokumentointi Tulosten tulkinta ja eähavainnollisuus Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

7 7 Erityisongelmia Eälineaarisuudet Simulointimallin matemaattinen jäykkyys. Hydraulikäyttöisen laitteen dynaamiset ominaisuudet kytkeytyvät ohjattavan järjestelmän dynamiikkan. Parametritiedon saatavuus. asetusarvo Säätäjä takaisinkytkentä ohjaus tilavuusvirta ohjaus tilavuusvirta voima liike Konemekanismi oimanlähde enttiilit Toimilaitteet Prosessi / Ymäristö aine aine liike voima Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

8 8 Mallin käyttökeloisuus tarkkuus/eävarmuus (kvantitatiivinen/kvalitatiivinen tulos) toiminta-alue identifioitavuus arametriherkkyys stabiilisuus laskentanoeus Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

9 9 Tulokseen vaikuttavat malli arametrit integrointialgoritmi Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

10 0 Simuloinnin kultaiset säännöt by MCS Software jäljittele aina reaalimaailmaa tiedä mitä ja missä idealisoit jaa ongelma joukoksi hallittavia osakokonaisuuksia mallinna yksi kerrallaan mallinna vähän kerrassaan ja testaa mallinna vähän kerrassaan ja testaa varmista, että ymmärrät kaikki tulokset ja ilmiöt, ennen kuin kuin jatkat mallinna se mitä täytyy mallintaa, ei sitä mikä olisi heloin mallintaa mallinna vain se on mallinnettava, älä kaikkea, mitä ystyt mallintamaan Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

11 Simuloinin käyttö tuotekehitysrosessissa User testing Particiatory design Robust design Otimization Software and Hardware testing Concet Develoment System-Level Design Detail Design Testing and refinement IRTUAL ENIRONMENT - immersion - interaction - user exerience SIMULATOR CORE - comutational efficieny - algorithms - interfaces MODELS - materials & henomenas - mechanics - ower transmission - work rocesses KNOWLEDGE - arameter data - uncertainty of arameter data and models

12 Simuloinnin osa-alueet Työkoneuomit Iskuvasarat ja -orakoneet Työkonehydrauliikka Condition control SOELLUKSET TOIMINNOT Interaktiivinen simulointi Hardware-in-the-loo simulointi irtuaalitodellisuus Diesel-moottorin ruiskutusjärjestelmä Prosessikoneiden ohjaus Innovaatiot IRTUAALINEN TESTAUS YMPÄRISTÖT WinSIMU Matlab/Simulink/Dsace Adams Telegri Ansys SOELTAMINEN Sovellusten tuntemus Software ja Hardware tuntemus Teorian tuntemus PERUSTUTKIMUS fysikaaliset virtausoin ja mekaniikan ilmiöt hydraulikomonenttien mallit algoritmit mekaniikan mallinnusmenetelmät arametritietämys Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

13 3 Mallityyit emiirinen analyyttinen uoli-emiirinen Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

14 4 Simuloinnin käyttötavat Tausta-ajo (off-line) Interaktiivinen käyttö (on-line) Rinnakkaissimulointi (Co-simulation) esim. irtauslaskenta, Mekanismisimulointi Reaaliaikasimulointi, Man-in-the-loo esim tietokoneelit Reaaliaikasimulointi, Hardware-in-the-loo Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

15 5 Muutamia simulointiymäristöjä Simulointiymäristöjä Matlab / Simulink Amesim Easy5X Hardware-in-the-loo ymäristöjä Labwiev XPC-target Matlab XPC-Target DSace irtuaalitodellisuus ymäristöjä irtools, Techiz Mevea, Savant simulators, suomalaisia Pelimoottorit Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

16 6 Esimerkki - tuotekehityssimulaattori Reaaliaikamalli työkoneesta ja ymäristöstä Työkoneen ja ymäristön visualisointi Simuloitu käyttäjäkokemus Liikealusta Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

17 7 Esimerkki - tuotekehityssimulaattori Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

18 8 Esimerkki ohjausjärjestelmän SW- ja HW-testaus Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

19 9 Lounastauko Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

20 0 Hydrauliiirien mallintaminen CYLIN Hydrauliiirien mallit koostuvat ol_cyl_l ol_cyl_mi Hydraulikomonenttimalleista ja niitä yhdistävistä tilavuusmalleista: DC umumallit PR ol_um ventiilimallit sylinteri/moottorimallit ol_tank PUMP M Tilavuusmallit yhdistävät muiden mallien liitäntäortit ol_tank Nimeä mallit Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

21 enttiilimallit, kuristus enttiileissä on yleesä aina turbulenttinen virtaus Q C d A 0 Cd = virtauskerroin A = virtausoikkiinta-ala = aine-ero = nesteen tiheys Kuristusmalli generoi tilavuusvirran aine-erosta Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

22 Tilavuusmallit d dt Tilavuusmalli generoi aineen tilavuuteen saauvista tilavuusvirroista in 0 out Oletetaan, että tilavuuden sisällä ei taahdu virtaushäviöitä d dt eff t 0 hose, A eff, A oil 0 A hose, A Ax hose, A = nesteen tehollinen uristusmoduli = tilavuuden koko Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

23 3 Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi Pumumallit Tuottavat tilavuusvirtaa, laajemmin muuntavat mekaanista tehoa hydrauliseksi s n i i s i C n C C n 3 i st i s i s i T T c i v i f i T C n C T 4 i h i v i f i 3 5 n C C n C T Tilavuusvirtaa hydrauliiiriin = (...) ääntömomentti umun akselilla T = T(...)

24 4 enttiilimallit Yksi tai useami kuristus, joka avaus riiuu ohjauksesta Tuottavat tilavuusvirtaa hydrauliiirin liitäntäortteihin = (, I,,,) Pohjalla aina kuristusmalli Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

25 5 enttiilimallit, Paineenrajoitusventtiili irtausoikkiinta-ala, CA D d CA 4 dt 0 CA CA ( MAX IN - ref CA ) - C D b k m k h IN Tilavuusvirta kuristuksessa, Q Q C d A 0 Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

26 6 enttiilimallit, 4/3-suuntaventtiili Kuristusten suht. avausten yhtälöt P T T P T A A R R R R R R R R R R , kun x(t) 0 x 0, kun x(t) 0 - x(t) x MAX x(t) MAX x(t) x MAX 0, kun x(t) 0 x(t) - x 0, kun x(t) 0 f(x(t)) f(x(t)), kun x(t) 0 MAX, kun x(t) 0, kun x(t) 0, kun x(t) 0 Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

27 7 Sylinteri / moottorimalli Muuntaa kammioihin kehityneen aineen voimaksi/momentiksi, Kaksi muuttuvaa tilavuutta + voimayhtälö l x max F A A A A F 0A L 0 x F A A A A A 0 A x, A A 0 A x max x A A x, A A x Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

28 8 Sylinterin kytkeytyminen mekanismiin Mekanismi on monikaalejärjestelmä, jonka liikeyhtälö on muotoa: M z H z, z Q M on mekanismin inertiamatriisi z on mekaanisten tilojen vektori H on vektorifunktio, joka sisältää mm. mekanismin Coriolis-, keskiako-, kitka ja gravitaatiovoimat/momentit Q on yleistettyjen voimien vektori (voi sisältää sekä voimia että momentteja). Yleistetyt voimat riiuvat sylinterin voimasta ja mekaanisista tiloista z. Sylinterin männän asema taas riiuu tiloista z ja männän noeus sekä tiloista z että tilojen derivaatoista A x dx/dt SYLINTERI A F Q = f (F,z) + - H(z,dz/dt) M - dx/dt = f (z,dz/dt) x = f 3(z) MEKANISMI Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

29 9 Järjestelmän hierarkinen mallintaminen System model Subsystem Subsystem Pyritään rakenteisuuteen, Jaetaan mallia eritasoisiin alijärjestelmiin Comon ent - Hydraulic comonents - Mechanical elements - Control models User defined comonents Primitives Parameter database Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

30 30 Komonenttien inut/outut Simulinkissä Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

31 3 Komonenttien kytkeminen Simulinkissä Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

32 3 Komonenttien kytkeminen Simulinkissä Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

33 33 Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi Piirin matemaattinen jäykkyys 4 4 D C dt d D C dt d in

34 34 Piirin matemaattinen jäykkyys Linearisoimalla yhtölä toimintaisteessä saadaan d dt d dt K in 0 0 K K K K 0 0 C D C D Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

35 35 Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi in 0 K K K K K dt d dt d, 4 K K K K K K K K Matriisin ominaisarvot D C K D C K Piirin matemaattinen jäykkyys 3

36 36 Piirin matemaattinen jäykkyys 4 Ominaisarvoihin liittyvät aikavakiot Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0

37 37 Piirin matemaattinen jäykkyys 5 Matemaattisesti jäykissä tehtävissä solveri joutuu ottamaan aljon integrointiaskelia tarkasteltavassa aikaikkunassa -> laskenta käy hitaaksi Ongelmien ehkäisemiseksi vältä: hyvin ieniä tilavuuksia halkaisijaltaan suuria kuristuksia yri keskittämään sarjassa olevat ienet ainehäviöt yhteen kuristukseen Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi 3.9.0