Comparing simulation methods for modelling the errors of stand inventory data

Abstract

Simulation methods in the modelling of bioaffinity assays

Computational model-based simulation methods were developed for the modelling of bioaffinity assays. Bioaffinity-based methods are widely used to quantify a biological substance in biological research, development and in routine clinical in vitro diagnostics. Bioaffinity assays are based on the high affinity and structural specificity between the binding biomolecules. The simulation methods developed are based on the mechanistic assay model, which relies on the chemical reaction kinetics and describes the forming of a bound component as a function of time from the initial binding interaction. The simulation methods were focused on studying the behaviour and the reliability of bioaffinity assay and the possibilities the modelling methods of binding reaction kinetics provide, such as predicting assay results even before the binding reaction has reached equilibrium. For example, a rapid quantitative result from a clinical bioaffinity assay sample can be very significant, e.g. even the smallest elevation of a heart muscle marker reveals a cardiac injury. The simulation methods were used to identify critical error factors in rapid bioaffinity assays. A new kinetic calibration method was developed to calibrate a measurement system by kinetic measurement data utilizing only one standard concentration. A nodebased method was developed to model multi-component binding reactions, which have been a challenge to traditional numerical methods. The node-method was also used to model protein adsorption as an example of nonspecific binding of biomolecules. These methods have been compared with the experimental data from practice and can be utilized in in vitro diagnostics, drug discovery and in medical imaging.

A software engineering approach to distributed systems for composite modeling

The goal of this thesis is to define and validate a software engineering approach for the development of a distributed system for the modeling of composite materials, based on the analysis of various existing software development methods. We reviewed the main features of: (1) software engineering methodologies; (2) distributed system characteristics and their effect on software development; (3) composite materials modeling activities and the requirements for the software development. Using the design science as a research methodology, the distributed system for creating models of composite materials is created and evaluated. Empirical experiments which we conducted showed good convergence of modeled and real processes. During the study, we paid attention to the matter of complexity and importance of distributed system and a deep understanding of modern software engineering methods and tools.

Pakkausrakenteenmateriaalinvalinta ja rakennesuunnittelu

Epäherkkien räjähteiden teknologian käyttö mahdollistaa räjähdeturvallisuuden ja sa-malla sotilaallisen suorituskyvyn parantumisen. Suomen Puolustusvoimat päätti IM-teknologian käyttöönotosta vuonna 2004, mikä on edellyttänyt räjähdevalmistajilta tuotteidensa kehitystoimenpiteitä. Yksi osa-alue erään räjähdevalmistajan ajopanostuotteen kehitystyöstä on Exel Oyj:n valmistama panospakkaus, joka pyritään kehittämään uudistuneiden vaatimusten mukaiseksi. Tässä diplomityössä selvitettiin IM-tuotteen vaatimukset ja laadittiin panospakkauksen vaatimusprofiili, jonka perusteella tehtiinkirjallisen selvitys ballistisista materiaaleista. Panospakkauksen rakenneratkaisut perustuivat materiaalinvalintaan, joka toteutettiin ominaisarvovertailulla.Rakenneratkaisuja testattiin sekä ballistisesti että mekaanisilla testausmenetelmillä. Lisäksi testausmenetelmien välille tehtiin korrelaatiovertailuja, joidentulokset ovat lupaavia. Projektin lopputuloksena saatiin kehitettyä Exel Oyj:lle panospakkausratkaisu, jolla voidaan edistää suojattavan tuotteen IM-vaatimusten täyttymistä. Rakenteelle toteutetun lujuusanalyysin perusteella pakkausrakennetta voidaan pitää käyttökohteeseen soveltuvana.

Mass transfer and particleinteractions in granular systems and suspension flows

The purpose of this study was to investigate some important features of granular flows and suspension flows by computational simulation methods. Granular materials have been considered as an independent state ofmatter because of their complex behaviors. They sometimes behave like a solid, sometimes like a fluid, and sometimes can contain both phases in equilibrium. The computer simulation of dense shear granular flows of monodisperse, spherical particles shows that the collisional model of contacts yields the coexistence of solid and fluid phases while the frictional model represents a uniform flow of fluid phase. However, a comparison between the stress signals from the simulations and experiments revealed that the collisional model would result a proper match with the experimental evidences. Although the effect of gravity is found to beimportant in sedimentation of solid part, the stick-slip behavior associated with the collisional model looks more similar to that of experiments. The mathematical formulations based on the kinetic theory have been derived for the moderatesolid volume fractions with the assumption of the homogeneity of flow. In orderto make some simulations which can provide such an ideal flow, the simulation of unbounded granular shear flows was performed. Therefore, the homogeneous flow properties could be achieved in the moderate solid volume fractions. A new algorithm, namely the nonequilibrium approach was introduced to show the features of self-diffusion in the granular flows. Using this algorithm a one way flow can beextracted from the entire flow, which not only provides a straightforward calculation of self-diffusion coefficient but also can qualitatively determine the deviation of self-diffusion from the linear law at some regions nearby the wall inbounded flows. Anyhow, the average lateral self-diffusion coefficient, which was calculated by the aforementioned method, showed a desirable agreement with thepredictions of kinetic theory formulation. In the continuation of computer simulation of shear granular flows, some numerical and theoretical investigations were carried out on mass transfer and particle interactions in particulate flows. In this context, the boundary element method and its combination with the spectral method using the special capabilities of wavelets have been introduced as theefficient numerical methods to solve the governing equations of mass transfer in particulate flows. A theoretical formulation of fluid dispersivity in suspension flows revealed that the fluid dispersivity depends upon the fluid properties and particle parameters as well as the fluid-particle and particle-particle interactions.

Komposiittivaipan moderni optimisuunnittelu ja toteutus

Tavoitteena tällä tutkimuksella on soveltaa modernin optimisuunnittelun keinoja komposiittimuovisen nestesäiliön lieriömäisen vaipparakenteen suunnittelemiseksi optimaalisen tyydyttäviksi valmistustekniikan ja kustannusten kannalta. Kuormituksia on kahdenlaisia. Säiliön sisällä on neste, joka tuottaa hydrostaattisen painekuorman ja järjestelmään kytketty puhallin tuottaa ulkoisen ylipaineen. Säiliöt ovat pystysäiliöitä ja ne tukeutuvat alustaan suoran pohjalaatan avulla. FEM- malleissa kuoren alaosat ovat jäykästi kiinnitettyjä ja yläosissa säteensuuntaiset siirtymät ovat estettyjä. Materiaaleiksi kuoreen on valittu kahdella eri menetelmällä lujitetut komposiittimateriaalit. Kantavan kerroksen toimintona on kantaa kuormat. Sulkukerros toimii korroosiosuojana ja sen lujuus on kantavaa kerrosta pienempi. Keinoina käytetään ensin innovatiivista suunnittelua optimaalisten lähtövaihtoehtojen ideoimiseksi ja valitsemiseksi jatkokehittelyä varten. Tavoitteena on asiakkaan tyytyväisyyden maksimointi huomioiden tuotteen kustannukset ja kesto. Yhtenä suunnittelun keinona on käytetty kuoriteoriaa ja komposiittien materiaalimalleja. Kestoehtoina on sovellettu komposiiteille soveltuvia kriteerejä. Toisena keinona käytetään FEM-laskentaa. Elementtityypiksi on valittu kaksiulotteinen kuorielementti, jossa on ortotrooppisen ainemallin mukaiset materiaaliominaisuudet. Jännitystuloksien merkittävyys keston kannalta selvitettiin Tsai-Hillin kriteerillä. Tuloksina saatiin ensin innovoitua rakenteelle kaksi päävaihtoehtoa, joita alettiin optimoida. Valitussa ratkaisussa on huomioitu kokonaisuus ja eri yksityiskohdat, kuten paino, jäykisteet kustannustehokkuus, valmistusnopeus, laatu, hävikit, päästöt, lujuus ja kilpailukykyinen myyntihinta. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetyt keinot ovat hyvin tehokkaita ja niillä voidaan suunnitella ja toteuttaa komposiittirakenteita, jotka tyydyttävät optimaalisesti loppukäyttäjän teknis- taloudelliset vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että standardin ja FEM-laskennan ennustukset ovat lähellä toisiaan sylinterimäisillä kuoriosilla, mutta standardit suosittavat suurempia mittoja itse jäykisteille.

Adaptive MCMC methods with applications in environmental and geophysical models

This work presents new, efficient Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation methods for statistical analysis in various modelling applications. When using MCMC methods, the model is simulated repeatedly to explore the probability distribution describing the uncertainties in model parameters and predictions. In adaptive MCMC methods based on the Metropolis-Hastings algorithm, the proposal distribution needed by the algorithm learns from the target distribution as the simulation proceeds. Adaptive MCMC methods have been subject of intensive research lately, as they open a way for essentially easier use of the methodology. The lack of user-friendly computer programs has been a main obstacle for wider acceptance of the methods. This work provides two new adaptive MCMC methods: DRAM and AARJ. The DRAM method has been built especially to work in high dimensional and non-linear problems. The AARJ method is an extension to DRAM for model selection problems, where the mathematical formulation of the model is uncertain and we want simultaneously to fit several different models to the same observations. The methods were developed while keeping in mind the needs of modelling applications typical in environmental sciences. The development work has been pursued while working with several application projects. The applications presented in this work are: a winter time oxygen concentration model for Lake Tuusulanjärvi and adaptive control of the aerator; a nutrition model for Lake Pyhäjärvi and lake management planning; validation of the algorithms of the GOMOS ozone remote sensing instrument on board the Envisat satellite of European Space Agency and the study of the effects of aerosol model selection on the GOMOS algorithm.

Puupohjaisten kuitukomposiittien materiaalitekniset mahdollisuudet veneteollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää puupohjaisten kuitukomposiittimateriaalien soveltuvuutta veneteollisuuden valmistusmateriaaliksi. Huviveneiden rakennusta säätelee huvivenedirektiivi ja lukuisat standardit. Standardien mukaan uusien materiaalien käyttö veneenrakennuksessa on mahdollista, mikäli materiaalin ominaisuudet todetaan muun muassa laboratoriotesteissä soveltuviksi kyseiseen käyttötarkoitukseen. Tutkimusta varten valmistettiin kuusi erilaista kuitukomposiittimateriaalia. Tutkimuksessa käytettiin myös neljän kaupallisen puumuovikomposiittivalmistajan materiaalia. Vertailumateriaaleiksi valittiin puuraaka-aineista mänty, saarni ja mahonki sekä muoviraakaaineista ABS – muovi. Tarkisteltaville materiaaleille määriteltiin standardien mukaisin testein taivutuslujuus, vetolujuus, Charpy – iskulujuus, Brinell – kovuus, veden absorptio sekä paksuusturpoama. Saatuja arvoja vertailtiin vertailumateriaalien kirjallisuudessa mainittuihin arvoihin. Puupohjaisten kuitukomposiittien ominaisuudet jäivät vertailumateriaalien vastaavista lukuun ottamatta Brinell – kovuutta. Taivutus- ja vetolujuuden osalta eräiden kaupallisten puumuovikomposiittivalmistajien ilmoittamat lujuusarvot olivat lähellä veneenrakennuksessa käytettyjen materiaalien vastaavia. Suurimpana yksittäisenä haasteena puukuitupohjaisilla kuitukomposiiteilla havaittiin Charpy – iskulujuus. Myös veden absorption saattaminen alhaiseksi havaittiin tärkeäksi veneilysovelluksissa. Ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella mahdollista. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella on puupohjaisilla kuitukomposiiteilla potentiaalia veneteollisuudessa. Jatkotutkimusta tulisikin kohdistaa materiaalin ominaisuuksien kehittämiseen.

Komposiittien käyttö tämän päivän koneenrakennuksessa

Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Komposiitit ovat kiinnostavia tämän päivän koneenrakennukselle niiden korkean vahvuuden ja jäykkyyden suhteesta niiden kevyeeseen painoon nähden. Kuitulujitteisten komposiittien ja laminaattien valmistukseen on monia eri menetelmiä ja ne eroavat toisistaan lähinnä hartsin levittämistapojen sekä kuitujen asettelutapojen perusteella. Komposiittien työstäminen on vaikeaa, mikä johtuu niiden epähomogeenisesta ja anistrooppisesta laadusta ja komposiittien sisältävien lujitteiden korkeasta abrasiivisesta vaikutuksesta. Tavanomaisia työstömenetelmiä, kuten sorvausta, porausta ja jyrsimistä käytetään komposiittien työstämiseen. Kuitujen suuntaus komposiiteissa vaikuttaa paljon niiden työstämiseen. Ultraäänisen tärinän käyttäminen kuitulujitteisia komposiitteja sorvattaessa parantaa työstetyn kappaleen pinnanlaatua. Komposiittimateriaalien kiinnittäminen metalleihin eroaa selvästi muiden materiaalien kiinnittämisestä. Komposiittien yhdistämisen yhteydessä on otettava huomioon monia eri asioita, kiinnitysreikien valmistuksesta käytettäviin kiinnikkeisiin. Komposiittien kierrätys ja hävittäminen on tärkeä osa niiden elinkaarta, eikä niiden kierrätykseen ole tällä hetkellä hyviä ja kustannustehokkaita kierrätysmenetelmiä. Tällä hetkellä kierrättäminen tuleekin kalliimmaksi, kuin käytettyjen komposiittien vieminen kaatopaikalle.

Rasvankestävät paperit ja kartongit

Rasvankestävyydellä tarkoitetaan sitä, että materiaali hylkii tai kestää rasvaa tietyn ajan läpäisemättä sen pintaa. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja löytyy kaikkialta. Erilaiset ruuanvalmistuspaperit, kuten esimerkiksi leivinpaperi ja voipaperi, ovat rasvankestäviä. Myös pakkauksissa käytetään paljon rasvankestäviä papereita ja kartonkeja. Rasvankestäviltä tuotteilta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Pakkausmateriaaleilta vaaditaan esimerkiksi lujuutta ja kestävyyttä fyysistä rasitusta, valoa, hajuja ja mikrobeja vastaan. Ruuanvalmistusmateriaaleilta vaaditaan puolestaan lujuutta ja kestävyyttä lämpöä, kosteutta ja fyysistä rasitusta vastaan. Rasvankestäviltä papereilta vaaditaan rasvankestävyyden lisäksi hyvää vetolujuutta, märkälujuutta ja hyviä optisia ominaisuuksia. Neliömassan tulee asettua 20─80 g/m2 välille ja metallipitoisuudet eivät saa olla liian korkeat. Myös tuotteiden kierrätettävyys on nostanut asemaansa viimeaikoina. Tuotteen tuotannon ja itse tuotteen ympäristöystävällisyys ovat todella arvostettuja kuluttajan, tuottajan, Suomen, EU:n ja koko maailman näkökulmista. Jotta tuotteesta saadaan rasvankestävää, vaaditaan siltä erilaisia barrier-ominaisuuksia. Rasvankestävällä paperilla vaaditaan hyviä barrier-ominaisuuksia esimerkiksi rasvan, ilman, veden, vesihöyryn sekä hapen läpäisevyyksissä. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja voidaan valmistaa kemiallisilla ja mekaanisilla tavoilla. Happokäsittely ja fluorokemikaalien lisääminen ovat kemiallisia tapoja, kun taas sellun jauhaminen pitkään matalassa lämpötilassa on mekaaninen tapa valmistaa rasvankestävää paperia. Näiden tapojen lisäksi rasvankestäviä papereita voidaan tehdä erilaisten pinnoitusten avulla. Erilaiset muovit ovat yleisemmin käytettyjä pinnoitemateriaaleja. Esimerkiksi PE- ja PET-päällysteet ovat käytettyjä rasvankestävissä tuotteissa. Viime aikoina on kehitetty paljon erilaisia biomateriaaleja, joista voidaan tehdä rasvankestävä pinnoite. Lipideistä, hydrokolloideista ja erilaisista komposiiteista voidaan luoda uusien tekniikoiden avulla rasvankestäviä pinnoitteita. Rasvankestävyydestä voidaan saada jonkinlainen käsitys WVTR-asteen, Cobb-arvon ja kontaktikulman mittausten avulla. Rasvankestävyyttä voidaan myös mitata erilaisten standarditestien avulla. TAPPI:lla, ISO:lla ja ASTM:llä on useita erilaisia standardeja. Lähes kaikissa rasvankestävyysstandardeissa tuloksen saaminen perustuu visuaaliseen havaintoon, mikä aiheuttaa välillä hankaluuksia tulosten luotettavuuteen, koska tuloksen määrittää ihmissilmä, ja kaikilla testin tekijöillä on erilainen silmä, joka aistii eri tavalla.

Simulation model of wind turbine gearbox and lubrication system

As increasing efficiency of a wind turbine gearbox, more power can be transferred from rotor blades to generator and less power is used to cause wear and heating in the gearbox. By using a simulation model, behavior of the gearbox can be studied before creating expensive prototypes. The objective of the thesis is to model a wind turbine gearbox and its lubrication system to study power losses and heat transfer inside the gearbox and to study the simulation methods of the used software. Software used to create the simulation model is Siemens LMS Imagine.Lab AMESim, which can be used to create one-dimensional mechatronic system simulation models from different fields of engineering. When combining components from different libraries it is possible to create a simulation model, which includes mechanical, thermal and hydraulic models of the gearbox. Results for mechanical, thermal, and hydraulic simulations are presented in the thesis. Due to the large scale of the wind turbine gearbox and the amount of power transmitted, power loss calculations from AMESim software are inaccurate and power losses are modelled as constant efficiency for each gear mesh. Starting values for simulation in thermal and hydraulic simulations were chosen from test measurements and from empirical study as compact and complex design of gearbox prevents accurate test measurements. In further studies to increase the accuracy of the simulation model, components used for power loss calculations needs to be modified and values for unknown variables are needed to be solved through accurate test measurements.