Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Transkriptio

1 Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

2 Simulointi käytännössä 1/3 Simulaatiomalleja helppo analysoida Ymmärretään ongelmaa paremmin - Opitaan ymmärtämään koneen toimintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä Numeerisessa mallissa voi mitata mitä vaan - Säästetään aikaa ja rahaa kun testausta voidaan nopeuttaa - Voidaan testata tilanteita, jotka olisivat todellisuudessa vaikeita, vaarallisia tai mahdottomia järjestää. Malleja voidaan parametrisoida - Voidaan nopeasti kokeilla ja optimoida kokonaisuuksia - Mekanismien mitoitus helpottuu 2

3 Simulointi käytännössä 2/3 Aikaa ja rahaa säästyy Kallis prototyypein rakentelu vähenee - Variointi lähes ilmaista - Testausta voi lisätä - Eri vaihtoehtoja voi vertailla Institutionaalinen tieto karttuu tehokkaasti Mallit helppo tallentaa uudelleenkäytettävään muotoon - Parantaa kommunikaatiota Mallia voi käyttää toisen suunnittelutehtävän tukena - Säätöjärjestelmän voi suunnitella virtuaalimallia käyttäen - Lakestaan kuormitukset FEA ohjelmalle 3

4 Simulointi käytännössä 3/3 Luonnonilmiöiden tutkiminen Värähtelyt - Moodianaalyysi Dynaamisten kuormitukset voidaan määrittää Järjestelmän sisäiset vuorovaikutukset voidaan selvittää - Herkkyysanalyysi Simulointiohjelmaa voi käyttää laskukoneena 4

5 Simulointi teoriassa Koneiden ja laitteiden toiminta kuvataan yhtälöillä. Yhtälöt perustuvat yleisesti tunnettuihin fysiikan lakeihin. Yhtälöt muokataan numeerisen analyysin kannalta tehokkaaseen muotoon. Kaikki yhtälöt ratkaistaan samanaikaisesti. Näin voidaan tutkia järjestelmän emergenttejä ominaisuuksia 5

6 Simuloinnin hidasteet 1/3 Aloituskynnys korkea Käyttöönotto - Investoinnit ohjelmistoon ja ammattitaitoiseen työvoimaan - Ongelma Suomen pienelle ja keskisuurelle teollisuudelle Todellinen hyöty saavutetaan vasta, kun koko tuotekehitysprosessi on tietyllä teknisellä tasolla - Alussa hyödyt minimaaliset Tiedonsiirto on ongelmallista Voi vaatia omien kommunikointityökalujen ohjelmointia. Merkittävä hidaste suunnittelun kannalta 6

7 Simuloinnin hidasteet 2/3 Lähtötiedot Saatavuus ja tarkkuus ongelmana. Tulokset ovat yhtä hyviä kuin epätarkimmat lähtötiedot. Riittämättömillä lähtötiedoilla ei voida taata simulaation hyödyllisyyttä. Simuloinnilla voidaan kuitenkin verrata muutosten vaikutuksia laitteen käyttäytymiseen vertailemalla tuloksia perustilanteeseen. 7

8 Simuloinnin hidasteet 3/3 Käyttäjän taidot Uudehko ala, osaajia vielä vähän? - Simulointiohjelmat laajoja. - Hyvä hallinta vaatii usean vuoden kokemuksen. Simulointitehtävissä vaaditaan osaamista seuraavilta aloilta: matematiikka statiikka mekatroniikka FEM Ohjelmointi fysiikka dynamiikka CAD säätötekniikka tuotetietous Onko kyseessä keskiverto DI vai yli-ihminen? 8

9 Mallinnusprosessi Mallinnuksen ja simuloinnin tarkoitus - Mikä on mallin tarkoitus? - Oletko kiinnostunut systeemin liikkeestä, staattisesta tasapainosta vai dynaamisesta käyttäytymisestä? - Käytätkö samaa mallia yhteen tiettyyn simulointiin vai tehdäänkö sillä myöhemmin muita simulointeja kenties erilaisilla parametreilla? - Mitä tietoja tarvitset tuloksina? - Mitkä kohdat ovat olennaisia tutkittavan asian kannalta? - Onko kohtia, joita voidaan yksinkertaistaa tarkkuuden kärsimättä? - Miten analysoinnin tarkkuus vaikuttaa tulosten hyödynnettävyyteen? Keskity olennaiseen! 9

10 Valitse tarkoitukseen 1/4 sopiva työkalu Matemaattiset ohjelmistot, erikoisohjelmat + tehokas laskenta, optimoitu juuri tarkoitukseensa - vaatii yhtälöiden johtamisen ja muodostamisen - paljon virhemahdollisuuksia - mallin tai tilanteen muuttaminen työlästä Usein tarkoituksenmukaista! Mathematica Matlab MathCAD Maple 10

11 Valitse tarkoitukseen 2/4 sopiva työkalu CAE (Creo, Solidworks Catia, jne) kinematiikka, perusdynamiikka + integrointi muuhun suunnitteluympäristöön + ei vaadi yhtälöiden johtamista + muunneltavuus + parametrisointi - ominaisuudet ei vielä riitä reaalimaailman kuvaamiseen 11

12 Valitse tarkoitukseen 3/4 sopiva työkalu FEA lineaarinen epälineaarinen lämpö virtaus sähkömagnetismi mekaniikka - Hankala - Raskas 12

13 Valitse tarkoitukseen 4/4 sopiva työkalu MBS kinematiikka, täydellinen dynamiikka + ei vaadi yhtälöiden johtamista + muunneltavuus + parametrisointi + vuorovaikutus CAE-, FEA- ja säätöjärjestelmäohjelmistojen kanssa + avoimuus (= itse ohjelmoitavat elementit) mallinnusominaisuudet verrattuna CAE-ohjelmiin ei yhtä tarkkaa tietoa laskennasta kuin matematiikkaohjelmilla 13

14 Valitse tarkoitukseen 4/4 sopiva työkalu MBS kinematiikka, täydellinen dynamiikka + ei vaadi yhtälöiden johtamista + muunneltavuus + parametrisointi + vuorovaikutus CAE-, FEA- ja säätöjärjestelmäohjelmistojen kanssa + avoimuus (= itse ohjelmoitavat elementit) mallinnusominaisuudet verrattuna CAE-ohjelmiin ei yhtä tarkkaa tietoa laskennasta kuin matematiikkaohjelmilla 14

15 Ympäristö TYÖ- PROSESSI Voima MEKANISMI Asema TOIMI- LAITTEET Voima Asema Asema, nopeus, kiihtyvyys Ohjaus Asema, nopeus, kiihtyvyys OHJAUS- JÄRJESTELMÄ KÄYTTÄJÄ Referenssi 15

16 Mallinnusprosessi (Tavoite) CAD Säätö MALLI FEM Simulointi 16

17 Massa, painopiste, hitausmomentit Nivelpisteet Sopivat nivelet = vapausasteet Muista, että reaalimaailma matemaattinen maailma Testaa eli simuloi jo mallinnusvaiheessa, mahdollisimman usein. 17

18 Tulosten järkevyys Näppituntuma Vertailu aikaisempiin tuloksiin Vertailu analyyttisiin tuloksiin Vertailu mittaustuloksiin 18

19 Tarkenna mallia. Päättele mistä epätarkkuus johtuu. Lisää ominaisuuksia malliin. Käytä hyväksesi muuttujia. Etsi parhaat arvot niille. 19

20 Optimoi mallisi optimointityökalujen ja parametrien avulla. Malli voidaan tarvittaessa automatisoida. 20

21 Mallintamisen kultaiset säännöt 1. Jos et ymmärrä miten systeemi toimii luonnossa, et voi tehdä siitä toimivaa mallia. 2. Mallinna aina reaalimaailmaa, silloin lopputulos on toivottu. 3. Vältä arvojen vetämistä hihasta. Kaikilla kertoimilla ym. arvoilla tulee olla jokin fysikaalinen perusta. 4. Jos et ymmärrä mallinnuksessa jotain yksityiskohtaa, älä etene, ennenkuin selvität sen itsellesi. 5. Jos analysoinnissa malli käyttäytyy omituisesti, älä etene ennenkuin olet selvittänyt miksi niin tapahtuu. 21

22 ADAMS malli koostuu Rajoitteista Voimista Osista Liikkeistä Kontakteista Mittauksista 22