Reaaliaikainen sorvausprosessin simulaatiomalli
Korpilahti, Heikki (2017)
Diplomityö
Korpilahti, Heikki
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017103150443
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017103150443
Tiivistelmä
Simulaatioita ja numeerista analyysia käytetään yhä enenevässä määrin osana suunnitteluprosessia. Simulaatiot ja virtuaaliset prototyypit mahdollistavat nopeamman suunnitteluprosessin ratkaisujen iteroinnin, eritoten jos simulaatioiden hyödyntäminen aloitetaan jo varhaisessa vaiheessa suunnittelua. Tällöin simulaatioista saatavien tietojen perusteella voidaan muokata ratkaisuja haluttuihin suuntiin. Työn tavoitteena oli tehdä reaaliaikainen sorvausprosessimalli, joka toimii yhdessä viilusorvin monikappaledynamiikkamallin kanssa luoden kokonaisen virtuaaliprototyypin viilusorvista. Sorvimallin luonti oli erillinen projekti saman hankkeen alla. Prosessi- ja sorvimalli kommunikoivat rajapinnan kautta, joka määritettiin yhteisesti sorvimallin tekijän kanssa. Mallit lähettävät ja vastaanottavat toisilleen tarvittavia tietoja rajapinnan kautta joka aika-askeleella.
Prosessimalli vastaanottaa sorvimallilta kappaleiden asema- ja nopeustietoja, jonka jälkeen sorvausmalli laskee sorvauksesta johtuvat leikkausvoimat ja lähettää voimatiedot sopivassa muodossa sorvin mallille. Leikkausvoimien laskenta suoritetaan moderneilla murtumismekaniikan yhtälöillä. Leikkausvoimien laskennassa on mahdollista ottaa huomioon eri puulajien materiaaliominaisuudet, pöllin epäsäännöllinen muoto, sekä puun vuosirenkaiden materiaaliarvojen vaihtelut. Lisäksi prosessimalli hoitaa kontaktit sorvattavan pöllin ja sorvimallin kappaleiden välillä sorvauksen aikana. Kontaktit käsitellään PID-rangaistusmenetelmän avulla, ja kappaleiden välinen kitka kuvataan dynaamisella kitkamallilla.
Molemmat mallit vaativat suurta laskentatehoa, mikä teki virtuaaliprototyypin reaaliaikaisuusvaatimuksen täyttymisestä ei-triviaalia. Mallit kuitenkin toimivat yhdessä ja virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää työkaluna tuotekehityksessä nykyiselläänkin esimerkiksi mitoittamaan toimilaitteita, vertailemaan erilaisia mekanismiratkaisuja tai testaamaan ohjausjärjestelmiä. Simulations and numeric analysis are increasingly used as a part of the design process. Simulations and virtual prototypes enable faster iteration of design choices, especially when they are taken advantage of early in the process. This enables to guide the design decisions to reach wanted directions faster providing shorter design durations and better products.
The aim of this thesis was to create a real-time wood peeling process model, which works in sync with a veneer peeling lathe multibody system (MBS) model, thus forming a complete virtual prototype. The MBS model was a separate project done by a different person in cooperation with this one. Both the peeling process model and the MBS model share a common interface through which the models are able to communicate between each other. The communication protocol used enforces the models' synchronicity.
The models send and receive data during every time-step of the simulation. The process model receives position and velocity information about several bodies from the MBS model. After which the process model finds contact pairs between the log and the bodies, calculates contact forces using a PID based penalty method. Friction between contact pairs is modeled using a dynamical friction model. The process model also finds the points where the lathe peeling tool contacts the log, and calculates the peeling forces using modern fracture mechanics based equations. After all the forces are calculated, they are sent to the MBS model through the common interface to be used in the integration of the next time-step.
Both models require a lot of computational resources which makes fulfilling the virtual prototype's real-time requirement non-trivial. The models function together and the virtual prototype can be used as a tool for product development for example sizing the actuators, comparing different mechanisms and their advantages or for testing control systems. Both models have areas of development for increasing their performance. In addition, the communication protocol between the models allows them to be split to different computers enabling one to make use of extra computational resources.
Prosessimalli vastaanottaa sorvimallilta kappaleiden asema- ja nopeustietoja, jonka jälkeen sorvausmalli laskee sorvauksesta johtuvat leikkausvoimat ja lähettää voimatiedot sopivassa muodossa sorvin mallille. Leikkausvoimien laskenta suoritetaan moderneilla murtumismekaniikan yhtälöillä. Leikkausvoimien laskennassa on mahdollista ottaa huomioon eri puulajien materiaaliominaisuudet, pöllin epäsäännöllinen muoto, sekä puun vuosirenkaiden materiaaliarvojen vaihtelut. Lisäksi prosessimalli hoitaa kontaktit sorvattavan pöllin ja sorvimallin kappaleiden välillä sorvauksen aikana. Kontaktit käsitellään PID-rangaistusmenetelmän avulla, ja kappaleiden välinen kitka kuvataan dynaamisella kitkamallilla.
Molemmat mallit vaativat suurta laskentatehoa, mikä teki virtuaaliprototyypin reaaliaikaisuusvaatimuksen täyttymisestä ei-triviaalia. Mallit kuitenkin toimivat yhdessä ja virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää työkaluna tuotekehityksessä nykyiselläänkin esimerkiksi mitoittamaan toimilaitteita, vertailemaan erilaisia mekanismiratkaisuja tai testaamaan ohjausjärjestelmiä.
The aim of this thesis was to create a real-time wood peeling process model, which works in sync with a veneer peeling lathe multibody system (MBS) model, thus forming a complete virtual prototype. The MBS model was a separate project done by a different person in cooperation with this one. Both the peeling process model and the MBS model share a common interface through which the models are able to communicate between each other. The communication protocol used enforces the models' synchronicity.
The models send and receive data during every time-step of the simulation. The process model receives position and velocity information about several bodies from the MBS model. After which the process model finds contact pairs between the log and the bodies, calculates contact forces using a PID based penalty method. Friction between contact pairs is modeled using a dynamical friction model. The process model also finds the points where the lathe peeling tool contacts the log, and calculates the peeling forces using modern fracture mechanics based equations. After all the forces are calculated, they are sent to the MBS model through the common interface to be used in the integration of the next time-step.
Both models require a lot of computational resources which makes fulfilling the virtual prototype's real-time requirement non-trivial. The models function together and the virtual prototype can be used as a tool for product development for example sizing the actuators, comparing different mechanisms and their advantages or for testing control systems. Both models have areas of development for increasing their performance. In addition, the communication protocol between the models allows them to be split to different computers enabling one to make use of extra computational resources.