Real-time simulation of continuous flight augering and full displacement piling in multilayered soil
Martikainen, Janne (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052831975
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052831975
Tiivistelmä
The goal of this thesis is to develop a parametrized real-time simulation model of continuous flight augering and full displacement piling in multilayered soil for an MPx90 multipurpose drilling rig. This thesis was made for Junttan Oy.
A literature review is first conducted to gain an understanding about the causes of drilling loads during the processes. These results are then used to develop analytical models for calculating force and torque during drilling. A simplified model of the machine, which only the features required for drilling, is modelled with Mevea software. As drilling in soils with multiple layers cannot be modelled with Mevea, the drilling process is modelled utilizing co-simulation. The co-simulation software for the process models is selected to be Simulink from performance comparisons between Xcos and Simulink. Validation of the simulation models is done by comparing simulation results with measurement data obtained from test drilling.
Comparing the simulation results with measurement data showed that the models calculate the drilling loads with sufficient accuracy. Simulated torque with both models had good accuracy while the simulated force was more lacking in accuracy. Both models run in real time and the goals of the thesis were reached.
In the future, more research is needed to improve the accuracy of the process models and develop models for other drilling methods. The developed Mevea model can be used as a basis for developing a full real-time model of the MPx90 machine. Tämän työn tavoitteena on kehittää parametrisoitu reaaliaikainen simulaatiomalli MPx90-monikäyttökoneelle jatkuvakierteisen kairauksen ja syrjäyttävän porapaalutuksen työmenetelmille monikerroksisessa maaperässä. Työ tehtiin Junttan Oy:lle.
Aluksi etsitään olemassa olevaa tutkimustietoa porausprosessien aikaisesta kuormituksesta kirjallisuuskatsauksen avulla. Tulosten perusteella kehitetään analyyttiset mallit porauksen aikaisen voiman ja väännön laskemiseksi. Mevea-ohjelmistolla mallinnetaan koneesta yksinkertaistettu malli, joka sisältää vain porauksessa tarvittavat ominaisuudet. Koska Mevealla ei voida mallintaa porausta monikerroksisessa maaperässä, porausprosessi mallinnetaan yhteissimuloinnilla. Mahdollisiksi ohjelmistoiksi tähän valittiin Xcos ja Simulink, joiden suorituskykyä vertaamalla hteissimulointiohjelmistoksi valittiin lopulta Simulink. Simulaatiomallit validoidaan vertaamalla simulaatiotuloksia koeporausten mittausdataan.
Simulaatiotulosten vertailu mittausdataan osoitti mallien laskevan porauskuormituksen riittävällä tarkkuudella. Molemmat mallit laskivat väännön hyvällä tarkkuudella, mutta voiman osalta tarkkuus oli heikompi. Molemmat mallit toimivat reaaliajassa ja työn tavoitteet saavutettiin.
Tulevaisuudessa tarvitaan jatkotutkimusta prosessimallien tarkkuuden parantamiseksi ja uusien mallien kehittämiseksi muille työmenetelmille. Kehitettyä Mevea-mallia voidaan jatkossa käyttää perustana koko MPx90-koneen reaaliaikamallin kehitykselle.
A literature review is first conducted to gain an understanding about the causes of drilling loads during the processes. These results are then used to develop analytical models for calculating force and torque during drilling. A simplified model of the machine, which only the features required for drilling, is modelled with Mevea software. As drilling in soils with multiple layers cannot be modelled with Mevea, the drilling process is modelled utilizing co-simulation. The co-simulation software for the process models is selected to be Simulink from performance comparisons between Xcos and Simulink. Validation of the simulation models is done by comparing simulation results with measurement data obtained from test drilling.
Comparing the simulation results with measurement data showed that the models calculate the drilling loads with sufficient accuracy. Simulated torque with both models had good accuracy while the simulated force was more lacking in accuracy. Both models run in real time and the goals of the thesis were reached.
In the future, more research is needed to improve the accuracy of the process models and develop models for other drilling methods. The developed Mevea model can be used as a basis for developing a full real-time model of the MPx90 machine.
Aluksi etsitään olemassa olevaa tutkimustietoa porausprosessien aikaisesta kuormituksesta kirjallisuuskatsauksen avulla. Tulosten perusteella kehitetään analyyttiset mallit porauksen aikaisen voiman ja väännön laskemiseksi. Mevea-ohjelmistolla mallinnetaan koneesta yksinkertaistettu malli, joka sisältää vain porauksessa tarvittavat ominaisuudet. Koska Mevealla ei voida mallintaa porausta monikerroksisessa maaperässä, porausprosessi mallinnetaan yhteissimuloinnilla. Mahdollisiksi ohjelmistoiksi tähän valittiin Xcos ja Simulink, joiden suorituskykyä vertaamalla hteissimulointiohjelmistoksi valittiin lopulta Simulink. Simulaatiomallit validoidaan vertaamalla simulaatiotuloksia koeporausten mittausdataan.
Simulaatiotulosten vertailu mittausdataan osoitti mallien laskevan porauskuormituksen riittävällä tarkkuudella. Molemmat mallit laskivat väännön hyvällä tarkkuudella, mutta voiman osalta tarkkuus oli heikompi. Molemmat mallit toimivat reaaliajassa ja työn tavoitteet saavutettiin.
Tulevaisuudessa tarvitaan jatkotutkimusta prosessimallien tarkkuuden parantamiseksi ja uusien mallien kehittämiseksi muille työmenetelmille. Kehitettyä Mevea-mallia voidaan jatkossa käyttää perustana koko MPx90-koneen reaaliaikamallin kehitykselle.