Juoksupyörän siiven FEM-laskennan automatisointi
Seppälä, Arttu (2023)
2023
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
2023-05-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305125715
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305125715
Tiivistelmä
Maailmanlaajuisten ilmastotavoitteiden saavuttamisessa uusiutuvilla energialähteillä on entistä tärkeämpi rooli, mikä näkyy merkittävinä investointeina tuulivoimassa ja aurinkoenergiassa ympäri maailmaa. Erääksi kriittiseksi tekijäksi muodostuu sääolosuhteista aiheutuvat energiantuotannon vaihtelut, joihin vesivoima kykenee vastaamaan verrattoman joustavuuden ja säätökyvyn ansiosta. Länsimaissa nykypäivänä suurin osa vesivoiman kehityksestä kuitenkin koostuu olemassa olevan kannan modernisoinnista, joten olennaisen tärkeäksi muodostuvat suunnitteluratkaisut, joilla kyetään edesauttamaan mahdollisimman korkeiden energiantuotannon hyötysuhteiden saavuttamista.
Tässä opinnäytetyössä käsitellään olemassa olevan Kaplan-juoksupyörän siiven suunnitteluprosessin sisältävien kestävyyttä analysoivien laskentojen automatisointia. Vesivoimalaitokset ovat useimmiten uniikkeja hydraulisilta ominaisuuksiltaan, joten myös niiden juoksupyörän siivistä muodostuu suunnitteluprosessin myötä uniikkeja monimutkaisine geometrioineen. Korkean hyötysuhteen saavuttamisessa siiven kestävyydellä on merkittävä vaikutus, minkä vuoksi geometriaprofiileja optimoidessa, toistuvat myös vaativat ja aikaavievät lujuusanalyysit. Opinnäytetyössä pyrittiin luomaan suunnitteluprosessia edistävä automatisointityökalu, jolla kyettäisiin eliminoimaan nimenomaisten analyysien toistuvia vaiheita ja manuaalisia syötteitä, sekä tuottamaan tuloksia raportoitavassa muodossa. Sisällössä esitellään kehitystyölle olennaiset lähtökohdat ja teoreettiset perusteet, sekä kuvataan työkalun tuottamisen vaiheita ja saavutettuja tuloksia.
Työssä onnistuttiin luomaan kaksi erillistä suunnitteluprosessia palvelevaa työkalua, joiden avulla kyettiin tuottamaan tarkempia tuloksia entisiin nähden, sekä vähentämään laskennassa kulutettavaa aikaa, mistä syntyi selkeitä taloudellisia hyötyjä. Toinen työkaluista pohjautuu vanhempaan, yrityksessä olemassa olevaan työkaluun, jossa MATLAB-ohjelmiston avulla kirjoitetaan Ansys MAPDL:ssä hyödynnettävää koodia. Toisessa taasen on hyödynnetty Ansys ACT:n tarjoamia automatisointimenetelmiä IronPython-ohjelmointikielellä kirjoitettuna Ansys Mechanicalissa, millä on saatu automatisoiduksi aikaisemmin täysin manuaalisesti määritellyt laskentaprosessin vaiheet. Kehitystyön avulla mahdollistettiin myös toimintatapamuutos suunnitteluprosessissa, koska sillä saatiin tuotetuksi kriittisiä lujuuslaskennallisia tuloksia aikaisessa vaiheessa prosessia ilman olemassa olevaa 3D-mallia, mikä ei ollut aikaisemmin mahdollista.
Tässä opinnäytetyössä käsitellään olemassa olevan Kaplan-juoksupyörän siiven suunnitteluprosessin sisältävien kestävyyttä analysoivien laskentojen automatisointia. Vesivoimalaitokset ovat useimmiten uniikkeja hydraulisilta ominaisuuksiltaan, joten myös niiden juoksupyörän siivistä muodostuu suunnitteluprosessin myötä uniikkeja monimutkaisine geometrioineen. Korkean hyötysuhteen saavuttamisessa siiven kestävyydellä on merkittävä vaikutus, minkä vuoksi geometriaprofiileja optimoidessa, toistuvat myös vaativat ja aikaavievät lujuusanalyysit. Opinnäytetyössä pyrittiin luomaan suunnitteluprosessia edistävä automatisointityökalu, jolla kyettäisiin eliminoimaan nimenomaisten analyysien toistuvia vaiheita ja manuaalisia syötteitä, sekä tuottamaan tuloksia raportoitavassa muodossa. Sisällössä esitellään kehitystyölle olennaiset lähtökohdat ja teoreettiset perusteet, sekä kuvataan työkalun tuottamisen vaiheita ja saavutettuja tuloksia.
Työssä onnistuttiin luomaan kaksi erillistä suunnitteluprosessia palvelevaa työkalua, joiden avulla kyettiin tuottamaan tarkempia tuloksia entisiin nähden, sekä vähentämään laskennassa kulutettavaa aikaa, mistä syntyi selkeitä taloudellisia hyötyjä. Toinen työkaluista pohjautuu vanhempaan, yrityksessä olemassa olevaan työkaluun, jossa MATLAB-ohjelmiston avulla kirjoitetaan Ansys MAPDL:ssä hyödynnettävää koodia. Toisessa taasen on hyödynnetty Ansys ACT:n tarjoamia automatisointimenetelmiä IronPython-ohjelmointikielellä kirjoitettuna Ansys Mechanicalissa, millä on saatu automatisoiduksi aikaisemmin täysin manuaalisesti määritellyt laskentaprosessin vaiheet. Kehitystyön avulla mahdollistettiin myös toimintatapamuutos suunnitteluprosessissa, koska sillä saatiin tuotetuksi kriittisiä lujuuslaskennallisia tuloksia aikaisessa vaiheessa prosessia ilman olemassa olevaa 3D-mallia, mikä ei ollut aikaisemmin mahdollista.