Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

Kaupallisen reaaliaikasimulointiohjelmiston mahdollisuudet mekatronisen konejärjestelmän tuotekehityksessä

Työn tavoitteena oli hankkia ja rakentaa kaupallisilla ohjelmistoilla ja laitteistoilla toteutettu reaaliaikasimulaattori. Työssä keskityttiin erityisesti valmiin Patu 655 puutavarakuormaimen simulointimallin visualisointiin reaaliaikasimulaattoriin hankitulla 3D-animointiohjelmalla. Lisäksi työssä selvitettiin reaaliaikasimuloinnin mahdollisuuksia konejärjestelmän tuotekehityksessä. Reaaliaikasimulaattorina käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia kaupallisia laitteita ja ohjelmia. Puutavarakuormaimen simulointimalli käännettiin simulaattorissa suoritettavaksi, jonka jälkeen mallin liikkeet visualisoitiin käyttämällä RealMotion 3D-animointiohjelmaa. Animoitu grafiikka tuotiin sekä AutoCAD- että ADAMS -ohjelmasta. Työn tuloksena saatiin hankittua reaaliaikasimulaattori, jonka havaittiin olevan toimiva kokonaisuus. Puutavarakuormaimen ja muiden simulointimallien automatisoitu kääntö simulaattoriin onnistui hyvin. Simulointimallien visualisointi toimi sujuvasti käytetyn 3D-animointiohjelman avulla. Konejärjestelmien tuotekehitysprosessia havaittiin voitavan nopeuttaa reaaliaikasimulaattorin avulla.

Ydinvoimalaitoksen turbiinilaitoksen toiminnan ja kunnonvalvonnan nykytilan kuvaus ja kehittämismahdollisuuksien kartoitus sekä toteutus ja kannattavuusarviointi

Työssä selvitettiin Olkiluodon ydinvoimalaitoksen prosessiseurannassa nykyisin käytössä olevia järjestelmiä sekä tutkittiin prosessisimulointiohjelman käyttömahdollisuuksia osana prosessiseurantaa. Ensisijaisesti tutkittiin kuinka hyvin simulointimalli soveltuu pienien tehopoikkeamien havainnoimiseen. Simulointimalli rakennettiin Endat Oy:n kehittämällä Prosim-simulointiohjelmalla. Simulointimalli on tehty kahdelle eri prosessille. Erilliset mallit rakennettiin sekä vuoden 2003 vuosihuoltoa edeltäneelle prosessille, että vuosihuollossa lauhteen esilämmityksen osalta muutetulle prosessille. Simulointimallien toimintaa käytännössä testattiin suorittamalla simulointiajoja muutamilla prosessin muutostilanteilla ja vertailemalla muutostilanteiden mittapistedataa simulointiohjelman laskemiin tuloksiin. Simulointimallin suurimmat poikkeamat mittapistedataan verrattuna todettiin turbiinilaitoksen korkeapainepuolella sekä lauhduttimessa. Käytännössä havaittiin, että nämä poikkeamat hankaloittavat simulointiohjelman käyttöä käytönvalvonnan työkaluna, eikä sen käytöstä näin ollen saada varsinaista lisäarvoa.

Diskreetin optimoinnin käyttö mekatronisen koneen virtuaalisuunnittelussa

Työn tavoitteena oli selvittää konetekniikan osastolla valmistetun optimointiohjelman soveltuvuutta virtuaaliprototyyppisen optimointiin. Lisäksi työn tavoitteena oli selvittää virtuaaliprototyyppien avulla tapahtuvan optimoinnin rajoitteet ja mahdollisuudet todellisilla optimointitehtävillä. Optimaze-ohjelma yhdistettiin simulointiohjelmistoon käyttäen apuna merkkitiedostoja ja simulointiohjelmiston sisäisiä makroja. Saadun optimointiympäristön toimivuus testattiin kahdella todellista puomia optimoivalla optimointitehtävällä. Simulointiohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja optimointialgoritmina differentiaalievoluutiota. Tuloksista havaittiin optimointiohjelman soveltuvan virtuaaliprototyyppien optimointiin. Raskaiden mallien optimoinnin huomattiin kuitenkin olevan liian hidas prosessi. Tutkimuksessa todettiinkin asian vaativan lisää tutkimista ja kehitystyötä.

Putkilinjan suunnittelu integroidussa simulointiympäristössä

Työn tavoitteena oli määritellä kirjallisuustutkimuksen ja suunnitteluesimerkin avulla vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle, joka sisältää simulointiohjelmien lisäksi prosessilaitteiden mitoitusohjelmia ja prosessilaite- ja mallitietokannan. Lisäksi pohdittiin simulointiympäristön tuomia etuja prosessissuunnitteluun. Esimerkkinä käytettiin yksinkertaista putkilinjaa. Ensin selvitettiin prosessisuunnittelun kulkua, menetelmiä, apuvälineitä ja ajankohtaisia teemoja kirjallisuuden perusteella. Prosessisuunnittelun menetelmistä keskityttiin yksityiskohtaisemmin prosessisimulointiin. Lisäksi etsittiin kirjallisuudesta esimerkkejä integroiduista suunnitteluympäristöistä. Kirjallisuusselvityksen perusteella määriteltiin yleisiä vaatimuksia integroidulle simulointiympäristölle. Seuraavaksi suunniteltiin esimerkkinä käytetty putkilinja ja kuvattiin suunnittelun eteneminen. Suunnitteluesimerkin avulla pyrittiin tunnistamaan suunnitteluprosessista ne kohdat, joissa integroitu simulointiympäristö helpottaisi työskentelyä sekä pohtimaan yksityiskohtaisemmin integroidun simulointiympäristön toimintoja. Lopuksi kuvattiin putkilinjan suunnittelun eteneminen integroidussa simulointiympäristössä ja pohdittiin sen etuja verrattuna perinteiseen putkilinjan suunnitteluun. Tutkimuksen perusteella integroitu simulointiympäristö tehostaa prosessisuunnittelua siten, että simulointimallien määrittelyissä tarvittavat laitetiedot ovat saatavissa helposti ja nopeasti ohjelmien ymmärtämässä muodossa. Simulointiympäristössä tieto eri sovellusten välillä siirtyy osittain automaattisesti, minkä takia ohjelmiin ei erikseen tarvitse syöttää samoja tietoja. Lisäksi integroitu simulointiympäristö tukee rinnakkaista suunnittelua ja automaatio- ja prosessisuunnittelun integrointia.Jatkotutkimusehdotuksena on lisäselvitykset siitä, miten simulointiympäristö sijoittuisi yrityksissä jo olemassa oleviin suunnittelujärjestelmiin, etenkin tiedonhallintajärjestelmiin nähden. Muina jatkotutkimusehdotuksina on integroidun simulointiympäristön tarkasteleminen automaatiosuunnittelijan kannalta sekä vaatimusmäärittelyjen tarkentaminen. Työssä ei juuri ole kiinnitetty huomiota siihen, kuinka helposti ehdotetut simulointiympäristön toiminnot ja vaatimukset ovat toteutettavissa teknisesti tai ylipäätään ovatko toteutettavissa, joten tämäkin vaatinee jatkotutkimuksia.

Älykkäiden ohjausjärjestelmien käyttö puutavarakuormaimen väsymiskestoiän parantamisessa

Työn tavoitteena oli tutkia älykkäiden ohjausjärjestelmien käyttöä mekatronisen koneen väsymiskeston parantamisessa. Älykkäiden järjestelmien osalta työssä keskityttiin lähinnä neuroverkkojen ja sumean logiikan mahdollisuuksien tutkimiseen. Tämän lisäksi työssä kehitettiin väsymiskestoikää lisäävä älykkäisiin järjestelmiin perustuva ohjausalgoritmi. Ohjausalgoritmi liitettiin osaksi puutavarakuormaimen ohjausta. Ohjaimen kehittely suoritettiin aluksi simulointimallien avulla. Laajemmat ohjaimen testaukset suoritettiin laboratoriossa fyysisen prototyypin avulla. Tuloksena puutavarakuormaimen puomin väsymiskestoikäennuste saatiin moninkertaistettua. Väsymiskestoiän parantumisen lisäksi ohjainalgoritmi myös vaimentaa kuormaimen värähtelyä.

Fraktiointikerrostuksen vaikutus paperin laatuun

Työn tavoitteena oli kehittää prosessia fraktioinnista monikerrosperälaatikolle painopaperilajeilla. Tarkoituksena oli selvittää koeajojen avulla sihti- ja pyörrepuhdistusfraktioinnin soveltuvuutta paperin kerrostuksen kannalta. Työssä vertailtiin keskenään fraktiointimenetelmiä ja niiden yhdistelmiä. Tehtävänä oli prosessikonseptin kehittäminen eri prosessikytkennöistä ja –ratkaisuista simuloinnin avulla. Kirjallisuusosassa tutustuttiin analysoiden kirjallisuusviitteiden perusteella massan fraktiointiin ja paperin kerrostamiseen sekä fraktiointikerrostetun rainan karakterisointiin. Tavoitteiden saavuttamiseksi esikokeena suoritettiin pilotkoeajo hienopaperimassalla, jossa tutkittiin pääasiassa fraktiointitulosta. Toinen koeajo suoritettiin LWC-paperilla, jossa koekonekonsepti oli optimaalisempi kerrostuksen kannalta ja fraktiointitulos voitiin linkittää paperin laatusuureisiin. LWC-koeajossa fraktioidulla massalla tehtiin laboratoriomittakaavassa monikerrosarkkimuottikokeita, joiden tuloksilla pyrittiin vahvistamaan koeajosta saatuja tuloksia ja fraktioinnnin potentialia. Prosessikonseptin kehittämiseksi rakennettiin seitsemän simulointimallia eri kytkennöistä. Malleja verrattiin keskenään täyteaine- ja kuitujakeiden fraktiointikyvyn perusteella. Koeajojen avulla selvitettiin fraktioinnin kannalta optimaaliset prosessimuuttujat. Fraktiointikerrostuksella parannettiin paperin z-suuntaista lujuutta ja etenkin pyörrepuhdistinfraktioinnilla pintojen sileyttä. Fraktiointikerrostuksella voitiin parantaa paperin täyteainejakaumaa. Kokeiden perusteella huomattiin, että kukin paperilaji tarvitsee erilaisen fraktiointijärjestelyn riippuen käytetystä massasta ja täyteaineesta.

Viilukuivurin suunnittelu kuivaustehon ja -laadun parantamiseksi

Työn tarkoitus tutkia viilukuivurin ilmankiertoa. Tietojen pohjalta suunnitellaan alustava 6-kerroskuivuri. Lisäksi diplomityössä tutkitaan erilaisten kuivausparametrien vaikutusta kuivaustapahtumaan. Viilunkuivauksessa on tärkeää tasainen kuivaustulos. Kuivaustapahtumaan vaikuttavat monet parametrit, joista yksi tärkeimmistä on kuivausilman nopeus suuttimissa. Kun viilukuivurin kuivausilman kierto on tasapainossa, saadaan kuivurin jokaisen kerroksen suutinnopeus yhtäläiseksi. Työ tarkastelee kuivurin kennon eri osien: puhaltimen, patterin, kanavien ja suutinlaatikoiden vaikutusta kuivausilman virtaamiin. Tietojen perusteella on tarkoitus optimoida kuivausolosuhteet kennon eri osissa. Teorian lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisten virtausmallien avulla kuivausilman kiertoa kennossa. Eri kuivausparametrien vaikutusta on tutkittu viilun kuivumista simuloivalla ohjelmalla. Kuivurin konstruktion kuormituskestävyyttä on arvioitu FEM-malleilla. Lopputuloksena on saatu alustava malli VTS6x6200 kuivurille.

MorphoGraphX: A platform for quantifying morphogenesis in 4D.

Morphogenesis emerges from complex multiscale interactions between genetic and mechanical processes. To understand these processes, the evolution of cell shape, proliferation and gene expression must be quantified. This quantification is usually performed either in full 3D, which is computationally expensive and technically challenging, or on 2D planar projections, which introduces geometrical artifacts on highly curved organs. Here we present MorphoGraphX ( www.MorphoGraphX.org), a software that bridges this gap by working directly with curved surface images extracted from 3D data. In addition to traditional 3D image analysis, we have developed algorithms to operate on curved surfaces, such as cell segmentation, lineage tracking and fluorescence signal quantification. The software's modular design makes it easy to include existing libraries, or to implement new algorithms. Cell geometries extracted with MorphoGraphX can be exported and used as templates for simulation models, providing a powerful platform to investigate the interactions between shape, genes and growth.

Teholähdesuunnittelu

Työssä vertaillaan massatuotannon näkökulmasta eri tehoalueille sopivia teholähteen toteuttamisvaihtoehtoja. Lisäksi esitellään standardien asettamia vaatimuksia teholähteille. Työssä käsitellään teholähdesuunnittelun eri osa-alueita ja niihin sopivien simulointityökalujen hyödyntämismahdollisuuksia suunnitteluprosessin osana. Simulointituloksia ja teoreettisia laskelmia vertaillaan prototyypistä suoritettuihin mittauksiin.

Monikappalesysteemin esikäsittelijä kaupallisessa ympäristössä

Työn tavoitteena oli tehdä monikappalesysteemin esikäsittelijä, joka toimii CAD-ohjelmiston yhteydessä. CAD-ohjelmistoksi valittiin SolidWorks-ohjelmisto. Esikäsittelijästä tehtiin yhteensopiva monikappaledynamiikan simulointi ohjelmiston kanssa, joka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Aikaansaadun esikäsittelijän avulla pystytään tuottamaan monikappaledynamiikan simuloinnissa tarvittavat lähtötiedot. Lähtötiedot esikäsittelijä laskee käyttäjän tekemästä kokoonpanokuvasta ja käyttäjän antamista tiedoista. Esikäsittelijän toiminta verifioitiin kaupallisin simulointiohjelmisto ADAMS:n avulla. Esikäsittelijän todettiin toimivan luotettavasti ja täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi esikäsittelijän todettiin nopeuttavan huomattavasti simulointimallien tekoa.

Fluid flow processes at basin scale

S u b s u r face fluid flow plays a significant role in many geologic processes and is increasingly being studied in the scale of sedimentary basins and geologic time perspective. Many economic resources such as petroleum and mineral deposits are products of basin scale fluid flow operating over large periods of time. Such ancient flow systems can be studied through analysis of diagenetic alterations and fluid inclusions to constrain physical and chemical conditions of fluids and rocks during their paleohy d r og e o l ogic evolution. Basin simulation models are useful to complement the paleohy d r og e o l ogic record preserved in the rocks and to derive conceptual models on hydraulic basin evolution and generation of economic resources. Different types of fluid flow regimes may evo l ve during basin evolution. The most important with respect to flow rates and capacity for transport of solutes and thermal energy is gr avitational fluid flow driven by the topographic configuration of a basin. Such flow systems require the basin to be elevated above sea level. Consolidational fluid flow is the principal fluid migration process in basins below sea level, caused by loading of compressible rocks. Flow rates of such systems are several orders of magnitude below topogr a p hy driven flow. Howeve r, consolidation may create significant fluid ove rpressure. Episodic dewatering of ove rpressured compart m e n t s m ay cause sudden fluid release with elevated flow velocities and may cause a transient local thermal and chemical disequilibrium betwe e n fluid and rock. This paper gives an ove rv i ew on subsurface fluid flow processes at basin scale and presents examples related to the Pe n e d è s basin in the central Catalan continental margin including the offshore Barcelona half-graben and the compressive South-Pyrenean basin.

Absence of complementary sex determination in the parasitoid wasp genus Asobara (Hymenoptera: Braconidae).

An attractive way to improve our understanding of sex determination evolution is to study the underlying mechanisms in closely related species and in a phylogenetic perspective. Hymenopterans are well suited owing to the diverse sex determination mechanisms, including different types of Complementary Sex Determination (CSD) and maternal control sex determination. We investigated different types of CSD in four species within the braconid wasp genus Asobara that exhibit diverse life-history traits. Nine to thirteen generations of inbreeding were monitored for diploid male production, brood size, offspring sex ratio, and pupal mortality as indicators for CSD. In addition, simulation models were developed to compare these observations to predicted patterns for multilocus CSD with up to ten loci. The inbreeding regime did not result in diploid male production, decreased brood sizes, substantially increased offspring sex ratios nor in increased pupal mortality. The simulations further allowed us to reject CSD with up to ten loci, which is a strong refutation of the multilocus CSD model. We discuss how the absence of CSD can be reconciled with the variation in life-history traits among Asobara species, and the ramifications for the phylogenetic distribution of sex determination mechanisms in the Hymenoptera.

Keskisuuren teknologiayrityksen logistiikkaratkaisujen arviointi

Asiakkaat ovat nykyisin yhä tietoisempia tuotteen tuomasta arvosta. Uusiksi kilpailutekijöiksi ovat hinnan sijasta muodostumassa asiakaslähtöisyys, toiminnan laadukkuus ja yrityksen kyky synkronoida liiketoimintaprosesseja yhteistyössä asiakkaiden kanssa. Toimitusketjun hallinta on avainasemassa, kun pyritään saavuttamaan kilpailuetua uudessa kilpailutilanteessa. Yrityksien haasteeksi muodostuu koko arvoketjun kattavan strategisen yhteensopivuuden saavuttaminen sekä tasapainon löytäminen reagoivuuden ja tehokkuuden välille. Diplomityö käsittelee kohdeyrityksen nykyistä toimitusketjua ja kartoittaa kuinka eri logistiikkaratkaisut vaikuttaisivat yrityksen toimitusketjun materiaalivirtoihin ja kustannusrakenteeseen sekä kilpailukykyyn tulevaisuudessa. Työssä pyritään arvioimaan myös eri ratkaisujen vahvuuksia ja heikkouksia sekä käyttöönottoon liittyviä haasteita. Muutoksia on pyritty arvioimaan luomalla nykytilakuvauksen pohjalta simulointimalleja, joiden avulla voidaan mallintaa sekä materiaalivirtojen että kustannuksien muutoksia. Empiriaosassa on kuvattu eri logistiikkaratkaisujen vaikutukset materiaalivirtoihin ja logistiikkatoimintojen kokonaiskustannuksiin, sekä niiden edut ja haitat. Tämä mandollistaa eri logistiikkaratkaisujen arvioinnin ja tuo esille kuinka nykyistä toimitusketjua olisi kehitettävä, jotta kohdeyritys pystyy tulevaisuudessa parantamaan kilpailukykyään kustannustehokkaasti.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.