liu.seSök publikationer i DiVA
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Validation of a co-simulation approach for hydraulic percussion units applied to a hydraulic hammer
Linköpings universitet, Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Mekanik och hållfasthetslära. Linköpings universitet, Tekniska fakulteten. Epiroc, Sweden.
Linköpings universitet, Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Mekanik och hållfasthetslära. Linköpings universitet, Tekniska fakulteten.
Dynamore Nord AB, Brigadgatan 5, S-58758 Linkoping, Sweden.
Dynamore Nord AB, Brigadgatan 5, S-58758 Linkoping, Sweden.
Visa övriga samt affilieringar
2019 (Engelska)Ingår i: Advances in Engineering Software, ISSN 0965-9978, E-ISSN 1873-5339, Vol. 131, s. 102-115Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

In this study, a previously developed co-simulation approach has been adopted to simulate the responses of an existing hydraulic hammer product. This approach is based on a 1D system model representing the fluid components and a 3D finite element model representing the structural parts of the hydraulic hammer. The simulation model was validated against four experiments with different running conditions. The corresponding set-ups were analysed using the co-simulation method in order to evaluate the overall responses. A parameter study was also performed involving the working pressure and the restrictor diameter, with the objective to validate that a parameter change in the simulation model will affect the input and output power in the same direction as in the experiments. The experimental responses used in the validation were time history data of fluid pressure, component position and acceleration, and structural stresses. The experiments result in high frequency and high amplitude excitations of the hydraulic hammer and thus require a model with a high resolution of the model dynamics. The conclusion of the validation is that the simulation model is able to replicate the experimental responses with high accuracy including the high frequency dynamics. The favourable outcome of the validation makes the described co-simulation approach promising as an efficient tool for a wide range of other applications where short time duration mechanisms need to be studied.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
ELSEVIER SCI LTD , 2019. Vol. 131, s. 102-115
Nyckelord [en]
Co-simulation; Fluid-structure coupling; System simulation; FEM; Experiments; Fluid power machinery
Nationell ämneskategori
Produktionsteknik, arbetsvetenskap och ergonomi
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:liu:diva-156375DOI: 10.1016/j.advengsoft.2018.12.001ISI: 000462766100009OAI: oai:DiVA.org:liu-156375DiVA, id: diva2:1305819
Anmärkning

Funding Agencies|Epiroc Hydraulic Attachment Tools Division

Tillgänglig från: 2019-04-18 Skapad: 2019-04-18 Senast uppdaterad: 2022-02-17
Ingår i avhandling
1. A Co-Simulation Tool Applied to Hydraulic Percussion Units
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>A Co-Simulation Tool Applied to Hydraulic Percussion Units
2022 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In this dissertation, a co-simulation tool is presented that is meant to comprise a more comprehensive environment for modelling and simulation of hydraulic percussion units, which are used in hydraulic hammers and rock drills. These units generates the large impact forces, which are needed to demolish concrete structures in the construction industry or to fragment rock when drilling blast holes in mine drifting. This type of machinery is driven by fluid power and is by that dependent of coupled fluid-structure mechanisms for their operation. This tool consists of a 1D fluid system model, a 3D structural mechanic model and an interface to establish the fluid-structure couplings, which has in this work been applied to a hydraulic hammer. This approach will enable virtual prototyping during product development with an ambition to reduce the need for testing of physical prototypes, but also to facilitate more detailed studies of internal mechanisms. 

The tool has been implemented for two well-known simulation tools, and a co-simulation interface to enable communication between them has been devel-oped. The fluid system is simulated using the Hopsan simulation tool and the structural parts are simulated using the FE-simulation software LS-DYNA. The implementation of the co-simulation interface is based on the Functional Mock-up Interface standard in Hopsan and on the User Defined Feature module in LS-DYNA. The basic functions of the tool were first verified for a simple but relevant model comprising co-simulation of one component, and secondly co-simulation of two components were verified. These models were based on rigid body and linear elastic representation of the structural components. Further, it was experimentally validated using an existing hydraulic hammer product, where the responses from the experiments were compared to the corresponding simulated responses. To investigate the effects from a parameter change, the hammer was operated and simulated at four different running conditions. 

Dynamic simulation of the sealing gap, which is a fundamental mechanism used for controlling the percussive motion, was implemented to further enhance the simulated responses of the percussion unit. This implementation is based on a parametrisation of the deformed FE-model, where the gap height and the eccentric position are estimated from the deformed geometry in the sealing gap region, and then the parameters are sent to the fluid simulation for a more accurate calculation of the leakage flow. 

Wear in percussion units is an undesirable type of damage, which may cause significant reduction in performance or complete break-down, and today there are no methodology available to evaluate such damages on virtual prototypes. A method to study wear was developed using the co-simulation tool to simulate the fundamental behaviour of the percussion unit, and the wear routines in LS-DYNA were utilised for the calculation of wear.  

Abstract [sv]

I denna avhandling presenteras ett co-simuleringsverktyg som är tänkt att utgöra grunden för en simuleringsmiljö för att modellera och simulera hydrauliska slagverk som används i hydrauliska hammare och bergborrmaskiner. Sådana enheter används för att generera de stora krafterna som krävs för att krossa betongstrukturer vid rivningsarbete inom byggindustrin eller för att krossa berg vid borrning av spränghål vid gruvdrift. Dessa typer av maskiner drivs av hydraulik vilket innebär att kopplade fluid-strukturmekaniskmer ligger till grund för dess funktion, varför simuleringen av sådana mekanismer utgör kärnan i detta arbetet. Co-simuleringsverktyget består av en 1D fluidsystemmodell, en 3D strukturmekanikmodell och ett interface för att skapa fluid-strukturkopplingarna, och i detta arbete har en hydraulhammare använts för att demonstrera och validera dess funktionalitet. Detta verktyg kommer att möjliggöra en simuleringsdriven produktutveckling med en ambition att reducera behovet av provning av fysiska prototyper, men det kommer också˚ att ge förutsättningar för mer detaljerade studier av interna mekanismer.

Verktyget har implementerats för två˚ välkända simuleringsprogram, och för att möjliggöra kommunikationen mellan dessa utvecklades ett co-simuleringsinterface. Simuleringen av enhetens hydrauliska funktion genomförs i systemsimuleringsverk-tyget Hopsan och strukturdelen simuleras i LS-DYNA, ett finita elementprogram. Co-simuleringsinterfacet är baserat på standarden Functional Mock-up Interface mot Hopsan, och på User Defined Feature modulen i LS-DYNA. Verktygets grundläggande funktionalitet verifierades med hjälp av enkla modeller som representerar slagverkets grundläggande mekanismer. Funktionaliteten verifierades först för co-simulering av en komponent och sedan för co-simulering av flera komponenter, vilket är ett krav då slagverket består av flera rörliga delar. De strukturella delarna i dessa modeller simulerades dels som helt stela och dels som helt elastiska för att successivt öka komplexiteten hos modellen. Vidare genomfördes en mer omfattande validering baserad på experimentella mätningar på en kommersiellt tillgänglig hydraulhammare. Denna validering bestod av jämförelser mellan experimentella och simulerade resultat, och utifrån denna kunde man konstatera att simuleringsmetoden ger en god överensstämmelse inte bara för de grundläggande mekanismerna utan också för de mekanismer som är kopplade till vågutbredning i fluiden och strukturen. För att undersöka effekterna av en parameterförändring genomfördes experiment där hydralhammaren kördes vid fyra olika arbetsvillkor, och därefter jämfördes resultaten med simulerade resultat från motsvarande arbetsvillkor.

Tätningsspalten är en fundamental mekanism hos slagverket och den används för att styra den grundläggande rörelsen hos slagverket. Funktioner och rutiner utvecklades och implementerades i verktyget för att ge förutsättningar för en kopplad fluid-struktursimulering av dynamiska tätningsspalter, med en ambition att förbättra beräkningen av läckageflödet genom spalten. Implementationen är baserad på en rutin som parametriserar den deformerade FE-modellen vid tätningsspalten och beräknar spalthöjd och det excentriska läget, vilka sedan skickas till fluidsimuleringen för att användas vid beräkning av läckageflödet.

Slitage i slagverk är en oönskad skademekanism som kan resultera i försämrad prestanda eller orsaka allvarliga haveri, vilka kan ge upphov till produktionsbortfall. Då metodik för att studera sådana skador saknas för virtuella prototyper i dagsläget, presenteras i denna avhandling ett förslag på hur sådana mekanismer kan analyseras genom simulering. Metoden baseras på att simulera slagverkets fundamentala mekanismer med hjälp av co-simuleringsverktyget och i den efterföljande analysen används slitagerutinerna i LS-DYNA för att beräkna slitaget.   

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2022. s. 55
Serie
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 2210
Nationell ämneskategori
Teknisk mekanik
Identifikatorer
urn:nbn:se:liu:diva-183001 (URN)10.3384/9789179292096 (DOI)9789179292508 (ISBN)9789179292096 (ISBN)
Disputation
2022-03-25, C3, C building, Campus Valla, Linköping, 10:15 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

Funding agencies:

The financial support for this project has been completely provided by the Tools & Attachments division of Epiroc, which is gratefully acknowledged.

Revisions:

2022-02-17 The thesis was first published online. The online published version reflects the printed version.2022-03-22 The thesis was updated with an errata list which is downloadable from the DOI landing page.

Tillgänglig från: 2022-02-17 Skapad: 2022-02-17 Senast uppdaterad: 2022-03-22Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltext

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Andersson, HåkanSimonsson, KjellLeidermark, Daniel
Av organisationen
Mekanik och hållfasthetsläraTekniska fakulteten
I samma tidskrift
Advances in Engineering Software
Produktionsteknik, arbetsvetenskap och ergonomi

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 295 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf