Han har nyligen disputerat på Linköpings Universitet med avhandlingen ”Efficient Fluid Structure Interaction Analysis in the Conceptual Design Phase: Industrially Proven and Validated Unique Methodology based on Aerospace Concepts”. Han jobbade tidigt i sin karriär inom flygindustrin med att optimera vingytor och flexibla ytor som samverkar med omgivningen och vindens flöden. Det förekom, och förekommer, inom det området oförklarliga vibrationer som orsakar stora problem.
– Flygplan bryts sönder i luften, fläktar exploderar, rör och slangar med inre och/ eller yttre axialt flöde börjar vibrera med sprickor och haverier som följd. Dessa fenomen är alla exempel på problem som beror av aeroelastisk, eller mer generellt fluid-elastisk, instabilitet och respons.
Till synes slumpmässiga vibrationer
Under åren efter arbetet i flygindustrin jobbade Jari Hyvärinen med liknande fenomen inom flera olika områden, som olje- och lastbilsindustrin. Inom oljeindustrin hade de problem med vibrationer som uppstod till synes slumpmässigt i gasledningar.
– Fenomen med ”slumpmässiga” vibrationer är alla exempel på problem som beror av aeroelastisk, eller mer generellt fluid-elastisk, instabilitet och respons. Syftet med denna avhandling är att påvisa de möjligheter som öppnar sig när en frekvensrumsbetraktelse används vid studier av system i vilka fluidstrukturinteraktions (FSI) fenomen har en signifikant inverkan på beteendet. 2015 blev Jari Hyvärinen rekryterad till Epiroc där liknande frågeställningar var aktuella för deras bergborrutrustningar. 2018 skrevs han in som doktorand på Linköpings universitet för att fortsätta på hans tidigare forskning, som hade resulterat i en licentiatexamen, för att i ett doktorandarbete undersöka problem de hade med vibrationer i bergborrmaskinerna.
– Det var vibrationer som helt plötsligt bara uppstod utan att de kunde förstå varför. Följden blev problematiska med alltifrån slitage till att slangar slits loss helt. De hävdade att vibrationerna uppstod utan synbar påverkan. Från mitt perspektiv uppstår ingenting utan anledning, det gäller bara att förstå systemets alla dimensioner för att kunna härleda problemen, konstaterar han.
Studerade hydraulslangars beteende
Utmattningsbrott i hydrauliska slangsystem, orsakat av våldsamma vibrationer, har blivit en kritisk faktor som skapar drifts- och underhållskostnader för slutanvändaren av bergborrutrustning. Liknande beteende förekommer även i till exempel skogsmaskiner.
– Slangar används som delar av energiförsörjningssystemet i maskiner som används för gruvdrift och anläggningsarbeten. Ett syfte med min forskning var att skapa en förståelse för det dynamiska beteendet hos en vald hydraulslang. Den valda numeriska modelleringsmetoden inkluderade en randelementmetod i den fluidelastiska analysen av dynamiken hos en trycksatt slang med transportvätska. Experimentell modalanalys användes för att validera den numeriska modellen. Analysen och experimenten visar att en komplex koppling av rena strukturella böjningsmoder, uppstår när slangen utsätts för internt flöde. I forskningen såg vi hur dessa kopplade moder blir alltmer känsliga för extern eller intern excitation med ökande flödeshastighet.
– Det är komplexa samband med multifysiska fenomen som kopplas samman. Det som gör det så svårt att beräkna är att för att kunna förstå sammanhangen behöver man kunna räkna på alltifrån akustik och fluider till mekanik och strukturdynamik. Det man tror är slumpvisa vibrationer som uppstår beror på att i vissa lägen samverkar ett flertal olika parametrar som flödeshastighet och temperatur och orsakar vibrationer. Det kan vara i en viss punkt eller inom ett område.
Utvecklande en metodik
Under den första halvan av avhandlingsarbetet utvecklade Jari Hyvärinen en metodik som sedan testades mer experimentellt under den andra delen.
– Den första delen av avhandlingen blev klar för ett antal år sedan och jag försökte sedan sälja den metoden till industrin. Men då den är så komplex så det krävs minst ett års utbildning för att kunna nyttja den så var det svårt för företag att köpa den. Därefter har jag använt den i olika haveriutredningar som jag deltagit i som expert. Den fanns även som grund i det doktorandarbete jag gjort vid Linköpings universitet och som resulterade i en doktorsexamen i våras.
Testade metodiken
I de applikationsstudier som finns med i avhandlingens andra del är haveriutredningar av en ventilationsfläkt, en fordonskylfläkt och en hydraulisk dieselmotormomentomvandlare. För de fall som presenteras så har beräkningsresultaten antingen validerats mot experiment, eller så har resultaten från beräkningarna använts som beslutsunderlag för att uppdatera en konstruktion med lyckat resultat.
– De presenterade exemplen illustrerar tydligt att man måste studera hela systemenvelopen, inte bara enstaka tillstånd, för att inte överraskande haverier ska uppstå. Orsaken är att instabilitetsproblem kan uppstå var som helst i envelopen. För att effektivt kunna söka igenom envelopen så behövs andra metoder/verktyg än de ALE-CFD/FEM program som finns tillgängliga på marknaden sedan något decennium tillbaka.
Undersökte olika parametrars påverkan
För att illustrera styrkan i metoden från den första delen av avhandlingen presenterar den andra delen av arbetet en parametrisk studie av slangdynamik för slangar med typiska dimensioner som används i industriella tillämpningar.
– Jag undersökte bland annat hur olika parametrar påverkar de dynamiska egenskaperna hos hydraulslangar och visade till exempel att slangändstödets styvhet har stor inverkan på slangens stabilitet och dynamiska beteende. Ett mjukt stöd tenderar att skapa ett statiskt instabilitetsliknande beteende där den lägsta frekvensen minskar till nivåer nära noll med ökande flödeshastighet. Förspänning av slangen har en stabiliserande effekt på slangdynamiken. I det fall då hydraulslangens inre tryck inte genererar spänning i slangen, har ökningen eller minskningen av det inre trycket begränsad inverkan på slangdynamiken: detta är åtminstone en slutsats som är giltig i det undersökta tryckområdet 100-210 bar.
– Dessutom är en slang med mindre diameter känsligare än en slang med större diameter, och detta gäller så länge förspänningen är tillräckligt hög för att bibehålla statisk stabilitet i hela flödeshastighetsområdet.
Maskininlärning kan förstärka metodiken
I den andra delen av avhandlingen har Jari Hyvärinen visat att metodiken han utvecklade under den första delen kan användas väldigt generellt.
– Nästa steg som vi har diskuterat på Linköpings universitet är att koppla ihop metoden med maskininlärningsalgoritmer. Ett möjligt resultat skulle kunna vara att man framöver kan fråga ett maskininlärningsverktyg om ett system med vissa förutsättningar kommer kunna drabbas av problematiska vibrationsfenomen eller inte. Det skulle vara till stor hjälp vid konstruktionen av exempelvis ett hydrauliksystem. Diskussioner pågår med Linköpings universitet om att han eventuellt ska hjälpa dem att bygga upp en forskningsgrupp inom det området.
– Men där är vi ännu inte. Fram till dess fortsätter jag att jobba deltid på Epiroc och driva min egen konsultverksamhet där jag använder min beräkningsmetod för att hjälpa företag både med att förstå haveriförlopp och att försöka undvika sådana.
