Dieselmoottorin esisuunnittelun kehittäminen simuloimalla

Diplomityö tehtiin Wärtsilä Finland Oy:n toimeksiannosta. Työ kohdistui yrityksen suunnittelemien keskinopeudella pyörivien nelitahti dieselmoottoreiden esisuunnittelun kehittämiseen. Esisuunnittelun osuus koko tuotesuunnittelussa on merkittävä, minkä vuoksi esisuunnitteluprosessin tehostaminen vaikuttaa koko tuotesuunnitteluprosessiin ja sen lopputuloksiin. Tällä hetkellä esisuunnitteluprosessi on jakautunut useaan eri vaiheeseen ja eri tiimeille, mikä aiheuttaa ongelmia esisuunnittelun läpiviemisessä. Työn tavoitteena oli tutkia nykyaikaisen kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta kohdeyrityksessä esisuunnitteluprosessin eri vaiheiden yhdistämiseen. Työssä selvitettiin esisuunnittelun alussa käytettäviä suunnitteluparametreja, ja niiden hyödyntämistä suunniteltaessa simulointimallia kaupalliseen ohjelmistoon. Vaatimuksena oli, että ohjelmiston on toimittava parametreilla, jotka jo nyt ovat yrityksessä käytössä. Lisäksi simulointimallin antamat tulokset oli oltava hyödynnettävissä yksiselitteisesti yrityksen myöhemmissä tuotesuunnitteluvaiheissa. Myös mallin luomiseen tarvittavien parametrien määrä tuli pitää mahdollisimman pienenä. Esisuunnittelumallin toteuttamisessa tutkittiin kaupallisen AVL Excite Designer - ohjelmiston soveltuvuutta. Ohjelmisto ei soveltunut täysin tuottamaan halutun muotoisia tuloksia annetuilla parametreilla. Ohjelmiston muokkaaminen vaatimuksia vastaavaksi osoittautui työmäärältään suureksi. Yhtenä ratkaisuna olisi kaupallisen ohjelmiston käyttämisen sijaan suunnitella kyseiseen ongelmaan paremmin soveltuva oma ohjelmisto, jolloin toimivuus ja pitkän tähtäimen käyttövarmuus paranisi.

Line filter optimization in elevator use

The purpose of this thesis was to create design a guideline for an LCL-filter. This thesis reviews briefly the relevant harmonics standards, old filter designs and problems faced with the previous filters. This thesis proposes a modified design method based on the “Liserre’s method” presented in the literature. This modified method will take into account network parameters better. As input parameters, the method uses the nominal power, allowed ripple current in converter and network side and desired resonant frequency of the filter. Essential component selection issues for LCL-filter, such as heating, voltage strength, current rating etc. are also discussed. Furthermore, a simulation model used to verify the operation of the designed filter in nominal power use and in transient situations is included in this thesis.

Financial and Environmental Impacts of a Dry Port to Facilitate Competitiveness of Two Major Transit Seaports of Finland

Environmental problems and issues have received more and more attention during the last decades. Reasons for this are different increased external costs such as congestion, CO2 emission, noise and accident costs. Transportation sector is the only sector with increasing external costs. The EU will increase its attention in decreasing the external costs of transport. Aim of this research was to find out if a dry port solution could decrease costs of transport, especially external costs. Dry port concept is an intermodal transport system, where inland transport between port and dry port is performed by rail transport instead of traditional road transport. In addition, dry ports offer similar services as ports. Research is conducted by performing a literature review about dry port concept and costs of transport, especially external costs of transport. Financial and environmental impacts of the dry port concept are studied by comparing costs of road and rail transport by cost accounting and with a simulation model. Location of dry port is researched with gravitational models. Results of the literature review are that rail transport is environmentally friendlier mode of transport than road transport. Cost model and simulation model show that if only costs of freight movement are considered, rail transport is more inexpensive transport mode than road transport in terms of internal and external costs. Because of that dry port concept could decrease costs of transport, especially external costs. Results of gravitational models are that city of Kouvola is in a good position to be a dry port. Russian transit traffic through Finland improves location of Kouvola to be a dry port.

The Use of Radiostereometric Analysis in Fractures of the Distal Radius: From Phantom Models to Clinical Application

Radiostereometric analysis (RSA) is a highly accurate method for the measurement of in vivo micromotion of orthopaedic implants. Validation of the RSA method is a prerequisite for performing clinical RSA studies. Only a limited number of studies have utilised the RSA method in the evaluation of migration and inducible micromotion during fracture healing. Volar plate fixation of distal radial fractures has increased in popularity. There is still very little prospective randomised evidence supporting the use of these implants over other treatments. The aim of this study was to investigate the precision, accuracy, and feasibility of using RSA in the evaluation of healing in distal radius fractures treated with a volar fixed-angle plate. A physical phantom model was used to validate the RSA method for simple distal radius fractures. A computer simulation model was then used to validate the RSA method for more complex interfragmentary motion in intra-articular fractures. A separate pre-clinical investigation was performed in order to evaluate the possibility of using novel resorbable markers for RSA. Based on the validation studies, a prospective RSA cohort study of fifteen patients with plated AO type-C distal radius fractures with a 1-year follow-up was performed. RSA was shown to be highly accurate and precise in the measurement of fracture micromotion using both physical and computer simulated models of distal radius fractures. Resorbable RSA markers demonstrated potential for use in RSA. The RSA method was found to have a high clinical precision. The fractures underwent significant translational and rotational migration during the first two weeks after surgery, but not thereafter. Maximal grip caused significant translational and rotational interfragmentary micromotion. This inducible micromotion was detectable up to eighteen weeks, even after the achievement of radiographic union. The application of RSA in the measurement of fracture fragment migration and inducible interfragmentary micromotion in AO type-C distal radius fractures is feasible but technically demanding. RSA may be a unique tool in defining the progress of fracture union.

Potential impact of the global climate changes on the spatial distribution of areas of risk for the occurrence of eucalyptus rust in Brazil

Rust, caused by Puccinia psidii, is one of the most important diseases affecting eucalyptus in Brazil. This pathogen causes disease in mini-clonal garden and in young plants in the field, especially in leaves and juvenile shoots. Favorable climate conditions for infection by this pathogen in eucalyptus include temperature between 18 and 25 ºC, together with at least 6-hour leaf wetness periods, for 5 to 7 consecutive days. Considering the interaction between the environment and the pathogen, this study aimed to evaluate the potential impact of global climate changes on the spatial distribution of areas of risk for the occurrence of eucalyptus rust in Brazil. Thus, monthly maps of the areas of risk for the occurrence of this disease were elaborated, considering the current climate conditions, based on a historic series between 1961 and 1990, and the future scenarios A2 and B2, predicted by IPCC. The climate conditions were classified into three categories, according to the potential risk for the disease occurrence, considering temperature (T) and air relative humidity (RH): i) high risk (18 < T < 25 ºC and RH > 90%); ii) medium risk (18 < T < 25 ºC and RH < 90%; T< 18 or T > 25 ºC and RH > 90%); and iii) low risk (T < 18 or T > 25 ºC and RH < 90%). Data about the future climate scenarios were supplied by GCM Change Fields. In this study, the simulation model Hadley Centers for Climate Prediction and Research (HadCm3) was adopted, using the software Idrisi 32. The obtained results led to the conclusion that there will be a reduction in the area favorable to eucalyptus rust occurrence, and such a reduction will be gradual for the decades of 2020, 2050 and 2080 but more marked in scenario A2 than in B2. However, it is important to point out that extensive areas will still be favorable to the disease development, especially in the coldest months of the year, i.e., June and July. Therefore, the zoning of areas and periods of higher occurrence risk, considering the global climate changes, becomes important knowledge for the elaboration of predicting models and an alert for the integrated management of this disease.

Environmental inFluences on the Adoption of Open Innovation: Analysis of Structural, Institutional and Cultural Impacts

The concept of open innovation has recently gained widespread attention, and is particularly relevant now as many firms endeavouring to implement open innovation, face different sets of challenges associated with managing it. Prior research on open innovation has focused on the internal processes dealing with open innovation implementation and the organizational changes, already taking place or yet required in companies order to succeed in the global open innovation market. Despite the intensive research on open innovation, the question of what influences its adoption by companies in different contexts has not received much attention in studies. To fill this gap, this thesis contribute to the discussion on open innovation influencing factors by bringing in the perspective of environmental impacts, i.e. gathering data on possible sources of external influences, classifying them and testing their systemic impact through conceptual system dynamics simulation model. The insights from data collection and conceptualization in modelling are used to answer the question of how the external environment affects the adoption of open innovation. The thesis research is presented through five research papers reflecting the method triangulation based study (conducted at initial stage as case study, later as quantitative analysis and finally as system dynamics simulation). This multitude of methods was used to collect the possible external influence factors and to assess their impact (on positive/negative scale rather than numerical). The results obtained throughout the thesis research bring valuable insights into understanding of open innovation influencing factors inside a firm’s operating environment, point out the balance required in the system for successful open innovation performance and discover the existence of tipping point of open innovation success when driven by market dynamics and structures. The practical implications on how firms and policy-makers can leverage environment for their potential benefits are offered in the conclusions.

Kartonkipakkauskoneen dynaaminen kireydenhallinta

Työssä tutkitaan PI-säätimen käyttöä dynaamisessa kireydensäädössä ilman varsinaista kireyden takaisinkytkentää. Kireyttä säädetään epäsuorasti käyttämällä takaisinkytkentätietona kahden telan välistä paikkaeroa. Kireyssäädin toteutetaan nopeussäätimen rinnalle. Rinnakkaisrakenteella pyritään kireyden muutoksiin nopeasti reagoivaan säätöratkaisuun. Rakenne toteutetaan osaksi taajuusmuuttajan säätöketjua. Työssä esitetään telasysteemin simulointimalli, jonka toimivuus varmistetaan käytännön mittauksin. Lisäksi työssä arvioidaan kireyssäädön toimintaa dynaamisessa kireydensäädössä simulointien ja testilaitteistolla suoritettavien mittausten perusteella.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

Computational modeling for irrigated agriculture planning. Part I: general description and linear programming

Linear programming models are effective tools to support initial or periodic planning of agricultural enterprises, requiring, however, technical coefficients that can be determined using computer simulation models. This paper, presented in two parts, deals with the development, application and tests of a methodology and of a computational modeling tool to support planning of irrigated agriculture activities. Part I aimed at the development and application, including sensitivity analysis, of a multiyear linear programming model to optimize the financial return and water use, at farm level for Jaíba irrigation scheme, Minas Gerais State, Brazil, using data on crop irrigation requirement and yield, obtained from previous simulation with MCID model. The linear programming model outputted a crop pattern to which a maximum total net present value of R$ 372,723.00 for the four years period, was obtained. Constraints on monthly water availability, labor, land and production were critical in the optimal solution. In relation to the water use optimization, it was verified that an expressive reductions on the irrigation requirements may be achieved by small reductions on the maximum total net present value.

Effective diffusivity and convective mass transfer coefficient during the drying of bananas

In this article, a methodology is used for the simultaneous determination of the effective diffusivity and the convective mass transfer coefficient in porous solids, which can be considered as an infinite cylinder during drying. Two models are used for optimization and drying simulation: model 1 (constant volume and diffusivity, with equilibrium boundary condition), and model 2 (constant volume and diffusivity with convective boundary condition). Optimization algorithms based on the inverse method were coupled to the analytical solutions, and these solutions can be adjusted to experimental data of the drying kinetics. An application of optimization methodology was made to describe the drying kinetics of whole bananas, using experimental data available in the literature. The statistical indicators enable to affirm that the solution of diffusion equation with convective boundary condition generates results superior than those with the equilibrium boundary condition.

Effects of maintenance management procedures in sugarcane mechanic harvesting system equipment

ABSTRACT The aim of this study was to evaluate the effects of modifying the maintenance programming of equipment used in sugarcane mechanical harvesting, by transferring actions that can be planned to periods when machines are inactive due to meal breaks and other working shift transitions stoppages. A simulation model was developed to represent the maintenance procedures of combines, haulouts, and other vehicles used by a harvest team. Scenarios were tested using alternatives for interventions such as refueling, lubrication and harvester blade replacement, enabling strategies to be focused towards better utilization of cutting, loading, and transport (CLT) system equipment. As a result, it was possible to remove one combine and two haulouts, while maintaining current daily production. The maintenance time for harvesters, which refers to corrective maintenance and the transfer of remaining interventions for periods of inactivity, was reduced from 10.0% to 3.5% over the useful period. This study indicates that maintenance management in the sugarcane sector enables the expanded use of equipment, leading to the greater productivity of the CLT system.

Monimoottorikäyttöjen suojaukset, mitoitus ja ohjeistus

Työssä tutkitaan pienitehoisen monimoottoritaajuusmuuttajakäytön yhteismuotovirtojen aiheuttamia ongelmia. Työn tavoitteena on muodostaa monimoottorikäyttöjen toteuttajille opastus, jonka avulla sähkökäytön suunnittelun alkuvaiheessa voidaan ottaa huomioon monimoottorikäytön erikoistarpeita. Työn teoriaosuudessa esitellään taajuusmuuttajan vaihtosuuntaustekniikan aiheuttamia ongelmia, moottorikaapelin mallintamista ja vertaillaan ongelmien ratkaisukeinoja pienitehoisten taajuusmuuttajien näkökulmasta. Yhteismuotoista virtaa tutkitaan mittaamalla rakennetulla monimoottorikäytöllä sekä simuloimalla vaihdellen kaapelin pituutta ja moottorien lukumäärää. Mittaamalla vertaillaan myös virran suodatusratkaisuja. Muodostettu simulointimalli on hyvin yksinkertainen ja luotettavammat virta-arvot saadaankin mittauksella. Kuitenkin työn perusteella voidaan antaa ohjeita monimoottorikäytön suunnittelulle. Esimerkiksi jokaiselle moottorille täytyy suunnitella erillinen suojaus ja taajuusmuuttaja on syytä mitoittaa todellisen kuormavirran mukaan. Yhteismuotoisen virran aiheuttamat ongelmat ovat sitä pienempiä, mitä vähemmän moottoreita on rinnakkain ja mitä lyhyempi moottorikaapelien yhteispituus on.

Mallipohjainen suunnittelu osana aurinkosähkövaihtosuuntaajan tuotekehitystä

Työssä selvitetään mallipohjaisen suunnittelun ja simulointimallista tuotetun ohjelmakoodin kelpoisuutta tuotekehityskäytössä. Työtapoja tutkitaan, koska halutaan selvittää parantavatko esitetyt toimintatavat aurinkosähkövaihtosuuntaajien ohjelmistokehitystä. Työssä käydään läpi mallipohjaisen suunnittelun työvaiheet, niiden sisältö ja tarkoitus. Aurinkosähköjärjestelmästä muodostetaan simulointimalli, josta tuotetaan maksimitehopisteseuraajan ohjelmakoodi, jonka toiminta testataan aurinkosähkövaihtosuuntaajan ohjausalustan simulaattorissa. Mallipohjainen suunnittelu mahdollistaa ohjelmistotuotekehityksen nopeuttamisen käyttämällä samaa järjestelmää useassa työvaiheessa. Ohjelmakoodin tuottaminen simulointimallista on mahdollista ja hyödyllistä, jos yrityksessä käytetään simulointitestausta säätö- ja ohjausjärjestelmän toiminnan suunnitteluun ja varmentamiseen.

Liikkuvan kivimurskaimen syötinosan rakenneanalyysi osarakennetekniikan avulla

Työn tarkoituksena oli selvittää, miten osarakennetekniikkaa voidaan soveltaa siirrettävän kivimurskaimen syötinosan simuloinnissa. Tätä tutkittiin luomalla kahdella eri ohjelmistolla simulaatiomalli syötinosasta ja mallintamalla syötinosan runko joustavaksi kappaleeksi osarakennetekniikan avulla. Luotujen simulointimallien tarkkuutta selvitettiin vertaamalla niistä saatuja rungon jännityksiä tutkittavan rakenteen rungosta mitattuihin jännityksiin. Työn tarkoituksena oli myös tutkia, miten hyvin simulaatiomallit soveltuvat käytettäväksi syötinosan tuotekehityksessä. Tässä työssä käytettiin syötinosan simulaatiomallin luomiseen ANSYS-ohjelmistoa ja ADAMS-ohjelmistoa. Simulaatiomalleihin lisättiin tutkittavasta järjestelmästä mitattu ohjaussignaali sekä syötinosan jousien arvot. Järjestelmän rakenneominaisuudet saatiin suoraan valmistajan luovuttamista tiedoista. ADAMS-ohjelmistolla mallinnetussa simulaatiomallissa runko mallinnettiin joustavaksi ANSYS-ohjelmistossa, josta se siirrettiin ADAMS-ohjelmistoon. Saaduista tuloksista kävi ilmi, että osarakennetekniikkaa voidaan hyödyntää syötinosan joustavan rungon simuloinnissa. Tutkittavasta järjestelmästä mitatuissa jännityksissä ja simulaatiomalleista saaduissa jännityksissä oli eroja, mutta jännityshistorian muodot ja suuruusluokat vastasivat pääosin toisiaan. Tulosten parantamiseksi tulee selvittää lisää alkuarvoja tutkittavasta järjestelmästä ja varmistua nyt saatujen jousiparametrien oikeellisuudesta.

Simuloinnin hyödyntäminen kotihoidon kehittämisessä

Ikääntyvien ihmisten kasvava määrä tulevina vuosikymmeninä kuormittaa kaupunkien kotihoitoa enenemässä määrin. Kaupunkien rajalliset resurssit ovat jo nyt koetuksella, eikä nykyiseen tilanteeseen ole nähtävissä huomattavaa parannusta tulevina vuosina. Kotihoidon henkilöstön määrää ei pystytä kasvattamaan riittävästi suhteessa kasvavien asiakasvirtojen kanssa, jotta korkea palvelun laatu voitaisiin taata myös tulevaisuudessa. Lahden kaupungin kotihoito pyrkii etsimään teknisiä ratkaisuja kotihoidon haasteisiin muun muassa kotihoidon töiden jakamiseen kehitetyllä optimointialgoritmilla sekä simuloinnilla. Tämä diplomityö käsittelee toimintatutkimuksen avulla simuloinnin tuomia hyötyjä sekä rajoitteita Lahden kotihoidon näkökulmasta. Launeen alueen kotihoidon haasteita käydään läpi neljässä eri työpajassa. Työssä esitetään Quest-simulointiohjelmiston ominaisuuksia, sekä Launeen alueen simulointimallin luomista aina suunnittelusta verifiointiin. Työn tuottama lisäarvo kotihoidon kehittämisessä tulee ilmi neljässä eri vaihtoehtoajossa kotihoitajien asiakkaalta toiselle kulkemien matkojen ja matkoihin käytettyjen aikojen mittaamisessa.