Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi: Lisensiaatintyö

Translated title of the contribution: The design and programming of displacement based finite element software: Licentiate thesis

Heikki Marjamäki

Research output: ThesisLicenciateTheses

Abstract

Tässä työssä laadittiin siirtymäperusteinen elementtimenetelmäohjelmisto, jolla voidaan analysoida työkoneiden rakenteita sekä tehdä myös työkoneiden vakavuustarkasteluja. Ohjelmistolla voidaan laskea lineaarisen statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian sekä geometrisesti epälineaarisen statiikan tehtäviä. Lisäksi nykyisessä ohjelmaversiossa on epälineaarisen dynamiikan ratkaisija. Itse ohjelmisto on toteutettu käyttäen perinteisiä ohjelmointikieliä. Mallinnettavan rakenteen parametrinen geometria, kuormitukset, osien massat ja muut lähtöarvotiedot syötetään käyttäen taulukkolaskentakontrollia, joka mahdollistaa räätälöityjen syöttötietojen antamisen. Kolmiulotteinen mallinnus ja työkoneen visualisointi toteutettiin käyttäen kaupallista grafiikkakirjastoa. Koska lähdekirjallisuudesta ei sellaisenaan löydy työssä käytettyjä elementtejä eikä laskentamenetelmää, on raportissa esitetty laskennassa käytettäviä elementtejä ja menetelmää yleisesti. Elementeistä esitellään sauva-, palkki-, levy-, kuori- ja solidielementtien lisäksi offset-, kytkentä- ja liukujousipalkkielementti. Lisäksi käsitellään lyhyesti hydraulijärjestelmän mallinnusta. Ratkaisualgoritmeista esitellään statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian, dynamiikan sekä hydromekaanisen dynamiikan ratkaisijoiden periaatteet. Koska epälineaarisen dynamiikan laskentamallista syntyvä differentiaaliyhtälöryhmä ratkaistaan ilman algebrallisia sidosehtoja, niin ratkaisualgoritmista on saatu verrattain nopea. Lisäksi hydraulisylintereiden vaikutukset kokonaisjoustoon saadaan mallinnettua suoraan. Kehitetty laskentaohjelmisto on otettu suunnittelukäyttöön yhteistyöyrityksissä. Lisäksi ohjelmalla saatavia laskentatuloksia on vertailtu lukuisiin työkoneista mittaamalla saatuihin tuloksiin. Laskentaohjelmaan perehtyneet ovat pitäneet sitä helppokäyttöisenä ja erityisesti samaan tuoteperheeseen kuuluvan työkoneen laskenta on nopeutunut huomattavasti. Ohjelmiston käytöllä voidaan vähentää laskentaan liittyvää rutiinityötä, jolloin laskennan virhemahdollisuudet pienenevät. Edelleen ohjelmalla voidaan tarkastella työkoneen asentoja, joita perinteisessä laskennassa ei ole laskennan raskauden vuoksi tarkasteltu. Ohjelmiston käytöstä on ollut seurauksena suunnittelutyön laadun parantuminen, suunnittelukustannusten pienentyminen ja laitteiden käyttöturvallisuuden parantuminen. Simulaatiotuloksia on voitu käyttää esimerkiksi käyttölujuustarkastelujen pohjana. Edelleen laskennan tuloksia voidaan käyttää reuna- ja alkuehtoina mallinnettaessa jokin koneen yksityiskohta tarkemmin.
Original languageFinnish
QualificationLicentiate Degree
Awarding Institution
  • Tampere University of Technology (TUT)
Place of PublicationEspoo
Publisher
Print ISBNs951-38-6231-3
Electronic ISBNs951-38-6232-1
Publication statusPublished - 2003
MoE publication typeG3 Licentiate thesis

Fingerprint

Software

Keywords

  • finite element method
  • finite element analysis
  • calculations
  • displacement
  • design
  • working machines
  • stability
  • strength
  • structural analysis
  • computer software
  • models
  • computer programs

Cite this

Marjamäki, H. (2003). Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi: Lisensiaatintyö. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland.
Marjamäki, Heikki. / Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi : Lisensiaatintyö. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2003. 109 p.
@phdthesis{1bee48c947f0473c84105a33b3c3da20,
title = "Siirtym{\"a}perusteisen elementtimenetelm{\"a}ohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi: Lisensiaatinty{\"o}",
abstract = "T{\"a}ss{\"a} ty{\"o}ss{\"a} laadittiin siirtym{\"a}perusteinen elementtimenetelm{\"a}ohjelmisto, jolla voidaan analysoida ty{\"o}koneiden rakenteita sek{\"a} tehd{\"a} my{\"o}s ty{\"o}koneiden vakavuustarkasteluja. Ohjelmistolla voidaan laskea lineaarisen statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian sek{\"a} geometrisesti ep{\"a}lineaarisen statiikan teht{\"a}vi{\"a}. Lis{\"a}ksi nykyisess{\"a} ohjelmaversiossa on ep{\"a}lineaarisen dynamiikan ratkaisija. Itse ohjelmisto on toteutettu k{\"a}ytt{\"a}en perinteisi{\"a} ohjelmointikieli{\"a}. Mallinnettavan rakenteen parametrinen geometria, kuormitukset, osien massat ja muut l{\"a}ht{\"o}arvotiedot sy{\"o}tet{\"a}{\"a}n k{\"a}ytt{\"a}en taulukkolaskentakontrollia, joka mahdollistaa r{\"a}{\"a}t{\"a}l{\"o}ityjen sy{\"o}tt{\"o}tietojen antamisen. Kolmiulotteinen mallinnus ja ty{\"o}koneen visualisointi toteutettiin k{\"a}ytt{\"a}en kaupallista grafiikkakirjastoa. Koska l{\"a}hdekirjallisuudesta ei sellaisenaan l{\"o}ydy ty{\"o}ss{\"a} k{\"a}ytettyj{\"a} elementtej{\"a} eik{\"a} laskentamenetelm{\"a}{\"a}, on raportissa esitetty laskennassa k{\"a}ytett{\"a}vi{\"a} elementtej{\"a} ja menetelm{\"a}{\"a} yleisesti. Elementeist{\"a} esitell{\"a}{\"a}n sauva-, palkki-, levy-, kuori- ja solidielementtien lis{\"a}ksi offset-, kytkent{\"a}- ja liukujousipalkkielementti. Lis{\"a}ksi k{\"a}sitell{\"a}{\"a}n lyhyesti hydraulij{\"a}rjestelm{\"a}n mallinnusta. Ratkaisualgoritmeista esitell{\"a}{\"a}n statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian, dynamiikan sek{\"a} hydromekaanisen dynamiikan ratkaisijoiden periaatteet. Koska ep{\"a}lineaarisen dynamiikan laskentamallista syntyv{\"a} differentiaaliyht{\"a}l{\"o}ryhm{\"a} ratkaistaan ilman algebrallisia sidosehtoja, niin ratkaisualgoritmista on saatu verrattain nopea. Lis{\"a}ksi hydraulisylintereiden vaikutukset kokonaisjoustoon saadaan mallinnettua suoraan. Kehitetty laskentaohjelmisto on otettu suunnitteluk{\"a}ytt{\"o}{\"o}n yhteisty{\"o}yrityksiss{\"a}. Lis{\"a}ksi ohjelmalla saatavia laskentatuloksia on vertailtu lukuisiin ty{\"o}koneista mittaamalla saatuihin tuloksiin. Laskentaohjelmaan perehtyneet ovat pit{\"a}neet sit{\"a} helppok{\"a}ytt{\"o}isen{\"a} ja erityisesti samaan tuoteperheeseen kuuluvan ty{\"o}koneen laskenta on nopeutunut huomattavasti. Ohjelmiston k{\"a}yt{\"o}ll{\"a} voidaan v{\"a}hent{\"a}{\"a} laskentaan liittyv{\"a}{\"a} rutiinity{\"o}t{\"a}, jolloin laskennan virhemahdollisuudet pienenev{\"a}t. Edelleen ohjelmalla voidaan tarkastella ty{\"o}koneen asentoja, joita perinteisess{\"a} laskennassa ei ole laskennan raskauden vuoksi tarkasteltu. Ohjelmiston k{\"a}yt{\"o}st{\"a} on ollut seurauksena suunnitteluty{\"o}n laadun parantuminen, suunnittelukustannusten pienentyminen ja laitteiden k{\"a}ytt{\"o}turvallisuuden parantuminen. Simulaatiotuloksia on voitu k{\"a}ytt{\"a}{\"a} esimerkiksi k{\"a}ytt{\"o}lujuustarkastelujen pohjana. Edelleen laskennan tuloksia voidaan k{\"a}ytt{\"a}{\"a} reuna- ja alkuehtoina mallinnettaessa jokin koneen yksityiskohta tarkemmin.",
keywords = "finite element method, finite element analysis, calculations, displacement, design, working machines, stability, strength, structural analysis, computer software, models, computer programs",
author = "Heikki Marjam{\"a}ki",
note = "Project code: A0SU00148",
year = "2003",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-6231-3",
series = "VTT Publications",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "501",
address = "Finland",
school = "Tampere University of Technology (TUT)",

}

Marjamäki, H 2003, 'Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi: Lisensiaatintyö', Licentiate Degree, Tampere University of Technology (TUT), Espoo.

Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi : Lisensiaatintyö. / Marjamäki, Heikki.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2003. 109 p.

Research output: ThesisLicenciateTheses

TY - THES

T1 - Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi

T2 - Lisensiaatintyö

AU - Marjamäki, Heikki

N1 - Project code: A0SU00148

PY - 2003

Y1 - 2003

N2 - Tässä työssä laadittiin siirtymäperusteinen elementtimenetelmäohjelmisto, jolla voidaan analysoida työkoneiden rakenteita sekä tehdä myös työkoneiden vakavuustarkasteluja. Ohjelmistolla voidaan laskea lineaarisen statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian sekä geometrisesti epälineaarisen statiikan tehtäviä. Lisäksi nykyisessä ohjelmaversiossa on epälineaarisen dynamiikan ratkaisija. Itse ohjelmisto on toteutettu käyttäen perinteisiä ohjelmointikieliä. Mallinnettavan rakenteen parametrinen geometria, kuormitukset, osien massat ja muut lähtöarvotiedot syötetään käyttäen taulukkolaskentakontrollia, joka mahdollistaa räätälöityjen syöttötietojen antamisen. Kolmiulotteinen mallinnus ja työkoneen visualisointi toteutettiin käyttäen kaupallista grafiikkakirjastoa. Koska lähdekirjallisuudesta ei sellaisenaan löydy työssä käytettyjä elementtejä eikä laskentamenetelmää, on raportissa esitetty laskennassa käytettäviä elementtejä ja menetelmää yleisesti. Elementeistä esitellään sauva-, palkki-, levy-, kuori- ja solidielementtien lisäksi offset-, kytkentä- ja liukujousipalkkielementti. Lisäksi käsitellään lyhyesti hydraulijärjestelmän mallinnusta. Ratkaisualgoritmeista esitellään statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian, dynamiikan sekä hydromekaanisen dynamiikan ratkaisijoiden periaatteet. Koska epälineaarisen dynamiikan laskentamallista syntyvä differentiaaliyhtälöryhmä ratkaistaan ilman algebrallisia sidosehtoja, niin ratkaisualgoritmista on saatu verrattain nopea. Lisäksi hydraulisylintereiden vaikutukset kokonaisjoustoon saadaan mallinnettua suoraan. Kehitetty laskentaohjelmisto on otettu suunnittelukäyttöön yhteistyöyrityksissä. Lisäksi ohjelmalla saatavia laskentatuloksia on vertailtu lukuisiin työkoneista mittaamalla saatuihin tuloksiin. Laskentaohjelmaan perehtyneet ovat pitäneet sitä helppokäyttöisenä ja erityisesti samaan tuoteperheeseen kuuluvan työkoneen laskenta on nopeutunut huomattavasti. Ohjelmiston käytöllä voidaan vähentää laskentaan liittyvää rutiinityötä, jolloin laskennan virhemahdollisuudet pienenevät. Edelleen ohjelmalla voidaan tarkastella työkoneen asentoja, joita perinteisessä laskennassa ei ole laskennan raskauden vuoksi tarkasteltu. Ohjelmiston käytöstä on ollut seurauksena suunnittelutyön laadun parantuminen, suunnittelukustannusten pienentyminen ja laitteiden käyttöturvallisuuden parantuminen. Simulaatiotuloksia on voitu käyttää esimerkiksi käyttölujuustarkastelujen pohjana. Edelleen laskennan tuloksia voidaan käyttää reuna- ja alkuehtoina mallinnettaessa jokin koneen yksityiskohta tarkemmin.

AB - Tässä työssä laadittiin siirtymäperusteinen elementtimenetelmäohjelmisto, jolla voidaan analysoida työkoneiden rakenteita sekä tehdä myös työkoneiden vakavuustarkasteluja. Ohjelmistolla voidaan laskea lineaarisen statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian sekä geometrisesti epälineaarisen statiikan tehtäviä. Lisäksi nykyisessä ohjelmaversiossa on epälineaarisen dynamiikan ratkaisija. Itse ohjelmisto on toteutettu käyttäen perinteisiä ohjelmointikieliä. Mallinnettavan rakenteen parametrinen geometria, kuormitukset, osien massat ja muut lähtöarvotiedot syötetään käyttäen taulukkolaskentakontrollia, joka mahdollistaa räätälöityjen syöttötietojen antamisen. Kolmiulotteinen mallinnus ja työkoneen visualisointi toteutettiin käyttäen kaupallista grafiikkakirjastoa. Koska lähdekirjallisuudesta ei sellaisenaan löydy työssä käytettyjä elementtejä eikä laskentamenetelmää, on raportissa esitetty laskennassa käytettäviä elementtejä ja menetelmää yleisesti. Elementeistä esitellään sauva-, palkki-, levy-, kuori- ja solidielementtien lisäksi offset-, kytkentä- ja liukujousipalkkielementti. Lisäksi käsitellään lyhyesti hydraulijärjestelmän mallinnusta. Ratkaisualgoritmeista esitellään statiikan, lineaarisen stabiilisuusteorian, dynamiikan sekä hydromekaanisen dynamiikan ratkaisijoiden periaatteet. Koska epälineaarisen dynamiikan laskentamallista syntyvä differentiaaliyhtälöryhmä ratkaistaan ilman algebrallisia sidosehtoja, niin ratkaisualgoritmista on saatu verrattain nopea. Lisäksi hydraulisylintereiden vaikutukset kokonaisjoustoon saadaan mallinnettua suoraan. Kehitetty laskentaohjelmisto on otettu suunnittelukäyttöön yhteistyöyrityksissä. Lisäksi ohjelmalla saatavia laskentatuloksia on vertailtu lukuisiin työkoneista mittaamalla saatuihin tuloksiin. Laskentaohjelmaan perehtyneet ovat pitäneet sitä helppokäyttöisenä ja erityisesti samaan tuoteperheeseen kuuluvan työkoneen laskenta on nopeutunut huomattavasti. Ohjelmiston käytöllä voidaan vähentää laskentaan liittyvää rutiinityötä, jolloin laskennan virhemahdollisuudet pienenevät. Edelleen ohjelmalla voidaan tarkastella työkoneen asentoja, joita perinteisessä laskennassa ei ole laskennan raskauden vuoksi tarkasteltu. Ohjelmiston käytöstä on ollut seurauksena suunnittelutyön laadun parantuminen, suunnittelukustannusten pienentyminen ja laitteiden käyttöturvallisuuden parantuminen. Simulaatiotuloksia on voitu käyttää esimerkiksi käyttölujuustarkastelujen pohjana. Edelleen laskennan tuloksia voidaan käyttää reuna- ja alkuehtoina mallinnettaessa jokin koneen yksityiskohta tarkemmin.

KW - finite element method

KW - finite element analysis

KW - calculations

KW - displacement

KW - design

KW - working machines

KW - stability

KW - strength

KW - structural analysis

KW - computer software

KW - models

KW - computer programs

M3 - Licenciate

SN - 951-38-6231-3

T3 - VTT Publications

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Marjamäki H. Siirtymäperusteisen elementtimenetelmäohjelmiston suunnittelu ja ohjelmointi: Lisensiaatintyö. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 2003. 109 p.