ANSYS Motion - Tapaustutkimus ohjelmiston soveltuvuudesta mekaniikan ja hydrauliikan kytkettyyn simulointiin
Federley, Ilari (2020)
2020
Konetekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Mechanical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-11-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202010097264
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202010097264
Tiivistelmä
Tietokonesimulaatiomallit ovat yleisiä apuvälineitä erilaisten mekaanisten laitteiden rakenteiden analysointiin. Laitteita ohjataan usein hydraulisten toimilaitteiden avulla. Hydrauliikan käyttö tekee mekaanisen rakenteen analysoinnista haastavampaa, sillä simulaatiomallin tulee kattaa mekaniikan lisäksi myös hydrauliikan ilmiöt, jotta laskentamallista saadaan tarkka. Laskentamallia, jossa hydrauliikka ja mekaniikka on yhdistetty, kutsutaan kytketyksi simulaatiomalliksi.
Tässä työssä luotiin kaksi hydrauliikan ja monikappaledynamiikan kytkettyä simulaatiomallia peitelaitteelle. Toinen malleista kykenee huomioimaan mekaanisen rakenteen joustavuuden, ja toinen käsittelee rakenteen komponentteja täysin jäykkinä. Kappaleiden joustavuus toteutettiin hyödyntäen ominaismuotopohjaista mallin vapausasteiden vähentämistekniikkaa, jota käytetään yleisesti pienentämään laskentamallin kokoa. Peitelaitemallien hydrauliikka toteutettiin MATLABilla ja monikappaledynamiikka ANSYS Motionilla. ANSYS Motion on uuden sukupolven monikappaledynamiikkaohjelmisto, josta työn tilaaja Hiab on kiinnostunut. Kytkentä hydrauliikan ja mekaniikan välillä tehtiin käyttäen Motionin kytketyn simuloinnin ominaisuutta.
Työn tarkoituksena oli luoda simulaatiomallit peitelaitteesta rakenteiden analysointia varten sekä tutkia ANSYS Motion -ohjelmiston soveltuvuutta kytkettyihin simulaatioihin. Ohjelmiston käyttökelpoisuus arvioitiin peitelaitemallien muodostuksen yhteydessä saaduista kokemuksista sekä ohjelmiston teoriapohjaa ja toiminnallisuuksia tutkimalla. Peitelaitemallien tarkkuutta arvioitiin vertaamalla sen painetasoja todellisen peitelaitteen kanssa.
Peitelaitteen simulaatiomallien muodostuksessa onnistuttiin melko hyvin. Tulokset vastasivat odotusta, että jäykkien kappaleiden malli yliarvioi painekäyrän huippuarvoja, mutta joustavien kappaleiden käyttö tasoittaa painepiikit huomattavasti lähemmäksi todellista laitetta. Molempien mallien painekäyrät tasaantuivat todellista laitetta nopeammin. On epäiltävissä, että tämä johtui osaksi simulaatiomallien liikettä vaimentavien termien, kuten kitkan, poikkeamisesta todellisen laitteen vaimennuksesta. Työssä pääteltiin, että suurin syy sekä painekäyrän huippuarvojen yliarviointiin että painetasojen nopeaan tasaantumiseen oli kuitenkin joustavuuden puute malleissa.
Työn perusteella ANSYS Motion on potentiaalinen vaihtoehto kytkettyjen simulaatiomallien luomiseen ja monikappaledynamiikkaohjelmistoksi. Monikappaledynamiikan mallinnus on ohjelmistolla suoraviivaista, ja kytkentä hydrauliikan kanssa yksinkertaista. Simuloinnissa ei tullut ongelmia laskennan stabiiliuden kanssa, ja mallin muokkaus ei tuottanut vaikeuksia. Ohjelmiston ohjekirjojen teoriaosuuksissa on kuitenkin puutteita. Käytetyt laskentamenetelmät eivät ole käyttäjän nähtävissä ollenkaan tai ne ilmoitetaan vajanaisesti. Tämä tekee laskennan tarkkuuden arvioimisesta hankalaa.
Tässä työssä luotiin kaksi hydrauliikan ja monikappaledynamiikan kytkettyä simulaatiomallia peitelaitteelle. Toinen malleista kykenee huomioimaan mekaanisen rakenteen joustavuuden, ja toinen käsittelee rakenteen komponentteja täysin jäykkinä. Kappaleiden joustavuus toteutettiin hyödyntäen ominaismuotopohjaista mallin vapausasteiden vähentämistekniikkaa, jota käytetään yleisesti pienentämään laskentamallin kokoa. Peitelaitemallien hydrauliikka toteutettiin MATLABilla ja monikappaledynamiikka ANSYS Motionilla. ANSYS Motion on uuden sukupolven monikappaledynamiikkaohjelmisto, josta työn tilaaja Hiab on kiinnostunut. Kytkentä hydrauliikan ja mekaniikan välillä tehtiin käyttäen Motionin kytketyn simuloinnin ominaisuutta.
Työn tarkoituksena oli luoda simulaatiomallit peitelaitteesta rakenteiden analysointia varten sekä tutkia ANSYS Motion -ohjelmiston soveltuvuutta kytkettyihin simulaatioihin. Ohjelmiston käyttökelpoisuus arvioitiin peitelaitemallien muodostuksen yhteydessä saaduista kokemuksista sekä ohjelmiston teoriapohjaa ja toiminnallisuuksia tutkimalla. Peitelaitemallien tarkkuutta arvioitiin vertaamalla sen painetasoja todellisen peitelaitteen kanssa.
Peitelaitteen simulaatiomallien muodostuksessa onnistuttiin melko hyvin. Tulokset vastasivat odotusta, että jäykkien kappaleiden malli yliarvioi painekäyrän huippuarvoja, mutta joustavien kappaleiden käyttö tasoittaa painepiikit huomattavasti lähemmäksi todellista laitetta. Molempien mallien painekäyrät tasaantuivat todellista laitetta nopeammin. On epäiltävissä, että tämä johtui osaksi simulaatiomallien liikettä vaimentavien termien, kuten kitkan, poikkeamisesta todellisen laitteen vaimennuksesta. Työssä pääteltiin, että suurin syy sekä painekäyrän huippuarvojen yliarviointiin että painetasojen nopeaan tasaantumiseen oli kuitenkin joustavuuden puute malleissa.
Työn perusteella ANSYS Motion on potentiaalinen vaihtoehto kytkettyjen simulaatiomallien luomiseen ja monikappaledynamiikkaohjelmistoksi. Monikappaledynamiikan mallinnus on ohjelmistolla suoraviivaista, ja kytkentä hydrauliikan kanssa yksinkertaista. Simuloinnissa ei tullut ongelmia laskennan stabiiliuden kanssa, ja mallin muokkaus ei tuottanut vaikeuksia. Ohjelmiston ohjekirjojen teoriaosuuksissa on kuitenkin puutteita. Käytetyt laskentamenetelmät eivät ole käyttäjän nähtävissä ollenkaan tai ne ilmoitetaan vajanaisesti. Tämä tekee laskennan tarkkuuden arvioimisesta hankalaa.