Vastinpintamallin hyödyntäminen jännitystilan arvioinnissa: Mittausdatan ja approksimaation väliset erot sekä korrelaatiot

Abstract

Maanalaisia porauslaitteita käytetään moninaisissa olosuhteissa ja erilaisten kuormitusten alaisena, mutta niiden kesto tulee tästä huolimatta taata niille suunnitellussa käytössä, täyttäen niille asetetut elinikävaatimukset. Porauslaitteiden lujuustarkastelua varten rakennetut FEM-mallit ovat yleensä laskennallisesti raskaita ja rajoittuneita tietynlaisiin yksittäisiin kuormitustilanteisiin. Osana lujuustarkastelua porauslaitteille tuotetaan myös venymäliuskamittauksia kontrolloidussa ympäristössä, joiden tarkoituksena on verifioida FEM-mallien tuloksia ja lisätä rakenteen tuntemusta. Porauslaitteisto kuitenkin sisältää kokoonpanoja ja komponentteja, joille on hankala suorittaa jännitystilan tarkastelua esimerkiksi vaikean saavutettavuuden takia. Näistä syistä pyritään luomaan vaihtoehtoinen tapa suorittaa jännitystilatarkastelua porauslaitteistossa, joka mahdollistaisi kattavamman tuntemuksen koko porauslaitteistosta vaatimatta laskennallisesti liikaa resursseja tai uhraamatta tulosten tarkkuutta. Tässä diplomityössä selvitetään, voiko vastinpintamenetelmää soveltaa tällaisena menetelmänä jännitystilan arvioinnissa. Aluksi teoriaosuudessa paneudutaan siihen, mikä on vastinpintamenetelmä, minkä pohjalle sen muodostus rakentuu ja miten sitä voidaan hyödyntää jännitystilatarkkailussa. Vastinpintamenetelmää sovelletaan parametrisoidulle FEM-mallille, joka on redusoitu sen tärkeimpiin selittäviin ja selitettäviin muuttujiin. Tämän mallin antamat tulokset toimivat vastinpintamallin koulutusdatana, josta muodostetaan paras mahdollinen approksimaatio rakenteen jännitystilasta riippuen selittävien muuttujien muodostamasta kuormitustilasta. Vastinpintamenetelmän avulla tuotettuja approksimoituja jännitystuloksia rakenteessa verrattiin sekä venymäliuskamittauksen että FEM-mallin avulla saatuihin jännitystuloksiin ja näiden keskinäisiä eroja sekä korrelaatioita tarkasteltiin. Lisäksi vastinpintamallin koulutusdataa arvioitiin numeerisella analyysilla ja eri parametrein luotuja vastinpintamalleja verrattiin keskenään niiden laadun, selitettävyyden sekä laskennallisen vaativuuden suhteen. Vastinpintamenetelmälle tapaustutkimuksena käytetystä nivelkokoonpanosta muodostettiin laadullisesti käyttökelpoinen vastinpintamalli, jota käytettiin jännitystilan arvioinnissa. Nivelkokoonpanosta saatiin kattavampi ymmärrys eri kuormitustilanteiden alaisena sekä sen jännitystilan arvioinnin kannalta suurimman painoarvon omaavat ja jännitystilaa parhaiten selittävät muuttujat voitiin yksilöidä. Vastinpintamalleja keskenään vertaamalla saatiin kuva, kuinka laskennallisesti raskasta vastinpintamallin tuottaminen on ja millaisia vaatimuksia sekä rajoitteita mallin tuottamisella on. Diplomityön tuloksena vastinpintamallin käytettävyys jännitystilatarkkailussa voitiin validoida.

Underground drilling rigs are used in many different conditions and under various load cases, but their durability still must be ensured so that their design life is met. Finite Element Method (FEM) -models built for strength analysis for underground drilling rigs are usually computationally heavy and often limited to certain individual load cases. As a part of the strength analysis performed, strain gauge measurements are also carried out in a controlled environment, with the purpose of verifying the results of FEM-models and further increasing understanding of the drilling rig. The drilling rig however includes various assemblies and components that are difficult to access for strain gauge measurements, which makes comprehensive stress state estimation harder. For these reasons, an alternative method of performing stress state estimation for the drilling rig is needed, which in turn would give a more comprehensive understanding of the whole rig. This alternative method must not be too computationally heavy, but it still must provide results accurate enough for usage. In this Master’s thesis, response surface methodology (RSM) was studied to see if it can be applied as such a method in stress state estimation. At first the theory section focuses on response surface methodology – what it is, what it is based on and how it can be used in stress state estimation. RSM is applied to a parametrised FEM-model, which was reduced to its most important input and output variables. The results from this model were used as training data to create a response surface model. The response surface model is the best possible approximation built from the training data (support points). The approximated stress state results produced by the response surface model were compared with the stress results obtained via strain gauge measurements and the FEM-model. Then the discrepancies and correlations between these were examined. In addition, response surface models created with varying parameters were compared in terms of quality, how well they approximated the results and how computationally heavy they were. A response surface model of sufficient quality was created for a joint assembly structure used as the case study. The response surface model was used in stress state estimation for the case structure. As a result, a more comprehensive understanding of the joint structure under various load cases was obtained. In terms of stress state estimation, the variables with the highest importance and the greatest ability to explain the variation of the output could be identified. Comparing the resulting response surface models, an overall view was obtained on what are the requirements and limitations of model creation and how computationally heavy it is to produce a model for such a case assembly. As a result of this Master’s thesis, the usability of RSM for stress state estimation could be validated.