För att underlätta konstruktionsprocessen av ett hydrauliksystem finns olika simuleringsverktyg. De kan förkorta utvecklingstiderna och bidra till att konstruktionen blir rätt från början. På universitetet i Linköping har man under åren utvecklat Hopsan, ett simuleringshjälpmedel för just konstruktion av hydraulik, som har en öppen källkod och är gratis.
Simuleringsprogram kan komplettera eller till och med ersätta kostsamma och tidskrävande fysiska tester för att utröna vilken design och utformning som passar bäst för en viss specifikation. Analysen kan sedan användas för att identifiera områden där prestanda och tillförlitlighet behöver optimeras. Ett av de simuleringshjälpmedel som finns för just hydraulik är Hopsan,. Det har utvecklats av en grupp medarbetare vid avdelningen för fluida och mekatroniska system, alla med varierande kunskapsnivåer inom programmering, modellering, simulering och hydraulik.
– Vi har satsat på att arbeta med öppen källkod, och därmed göra det gratis att använda, då vi gärna ser att det blir ett program med lång livslängd. Genom att göra källkoden tillgänglig hoppas vi att fler ska bidra till att utveckla den kontinuerligt, att det blir en konstant modern programvara, förklarar Robert Braun, docent på FLUMES, Fluida och mekatroniska system, på Linköpings universitet.
På Linköpings universitet påbörjades utvecklingen av Hopsan redan på 1970-talet, då med programspråket Fortran.
– Men det utvecklades inte vidare vid den tiden utan försjönk i dvala tills i början på 2000-talet. Då tog vi upp det igen och bytte programmeringsspråk och gjorde källkoden öppen. 2009 påbörjades utvecklingen av den nya objektorienterade simuleringsplattformen skriven i C++. Det finns ett starkt fokus på stöd för flera kärnor och möjlighet att koppla i ihop med flera verktyg. Det var det första systemsimuleringsverktyget i världen med inbyggt stöd för simulering med flera processorer när det introducerades. Denna version är tillgänglig under GPL-licensen med öppen källkod.
Kan köra parallella simuleringar
Hopsan är utvecklat för mekatroniska system, men det är främst inom hydrauliken som det används. En fördel med Hopsan är att det bygger på TLM, Transmission Line Modelling.
– Det är den enda simuleringsprogramvaran som är byggd kring TLM-tekniken, eller dubbelriktade fördröjningslinjer. Med den metoden kan modeller automatiskt partitioneras genom att introducera fysiskt motiverade tidsfördröjningar mellan komponenter. Varje del av modellen kan sedan lösas oberoende under varje tidssteg. Detta förbättrar simuleringsprestanda, numerisk robusthet och modellens skalbarhet, vilket gör simuleringen mycket robust och snabb, och ger en naturlig mekanism för parallell simulering.
Det gör att det går att jobba enklare med icke-linjära och komplexa modeller som finns inom hydrauliken.
– Programmet har även en linjär skalbarhet vilket innebär att tiden för simulering är direkt beroende av storleken på modellen. Det innebär i sin tur att det finns en förutsägbarhet i Hopsan. I andra program kan en enda komponent påverka programmet mycket och plötsligt göra det väldigt långsamt.
Att en stor modell kan delas upp i flera delar som kan simuleras parallellt med varandra gör programmet betydligt snabbare.
– Risken med simuleringsprogram är annars att de blir väldigt långsamma om en stor modell ska simuleras, genom parallellsimulering blir beräkningarna mindre komplexa för varje del vilket gör att de går snabbare. Sedan kan de olika delberäkningarna kopplas ihop och ge en bild av hela modellen.
Kan simulera olika funktioner
Hopsan används både inom industrin och för forskning och undervisning, men de vet inte exakt vilka som använder programmet.
– Eftersom det är en öppen källkod så kan vem som helst ladda ner programmet och använda utan att vi blir informerade. Det vi vet är att det används på olika håll både i Sverige och internationellt. Vi vet det genom att vi får frågor via mejl om olika saker i programmet från olika håll, förklarar Robert Braun.
En av de största användarna i Sverige är Epiroc som simulerar sina bergborrutrustningar.
– De vanligaste användningsområdena är hela system i mobila maskiner som i gruva, som Epiroc arbetar med. Andra använder det även för delsystem som pumpar och ventiler. Ett nyare användningsområde är att simulera hur man kan göra elektrifierade system mer effektiva, något som främst universitet utnyttjar.
Enkelt gränssnitt
Man kan även använda simuleringsprogrammet för att förutspå vilka ljudnivåer olika konstruktioner kan ha och därigenom reducera bullret på en arbetsplats.
– Det görs genom att man testar olika kombinationer av pumpparametrar som in-/utlopp, hur pumpskivorna roterar och annat. Just nu använder vi själva Hopsan till att testa den nyutvecklade hydraulenhet som kombinerar en pump med en elmotor.
Programmet används mycket inom forskning och undervisning och för att underlätta för eleverna har man fokuserat på att ta fram et enkelt gränssnitt så det ska bli lätt och intuitivt att använda.
– Det innebär att det även är enkelt för företag att komma igång och börja använda programvaran.
Kan snabbt testa 1000 olika kombinationer
Bland fördelarna med att utnyttja ett simuleringsverktyg vid konstruktion är att det går att utvärdera olika koncept tidigt i processen och kunna optimera parametrar.
– Den absolut största nyttan är att det går snabbt att testa olika modeller, man kan testa 1000 olika kombinationer av parametrar på kort tid och hitta den bästa för en viss målfunktion. Det är även bra att använda simuleringsprogram för att testa modeller som ska verka i farliga miljöer. Där vill man försäkra sig om att aggregatet man bygger är säkert från start, att testa den först i en utsatt miljö kan få förödande konsekvenser, där är simuleringar till stor hjälp.
Bland de funktioner som inkluderas i Hopsan finns alltifrån stöd för flera kärnor för snabbare simuleringar och export/import av modeller med Functional Mock-Up Interface (FMI) till export av simuleringsresultat till CSV, XML, Gnuplot och Matlab samt att skapa modeller från Modelica, Mathematica och C++.
Andra simuleringsprogram som är lämpliga vid konstruktion av hydrauliksystem
Simscape
Med Simscape kan man snabbt skapa modeller av fysiska system i Simulink-miljön. Där kan man bygga modeller av fysiska komponent baserade på fysiska kopplingar som integreras direkt med blockscheman och andra modelleringsparadigmer. Man kan modellera system som elmotorer, brygglikriktare, hydrauliska ställdon och kylsystem genom att sätta ihop grundläggande komponenter till ett schema. Simscapes tilläggsprodukter ger mer komplexa komponenter och analysmöjligheter.
Simscape bidrar till att utveckla styrsystem och testa prestanda på systemnivå. Det går att skapa anpassade komponentmodeller med hjälp av det MATLAB-baserade Simscape-språket, vilket möjliggör textbaserad redigering av komponenter, domäner och bibliotek för fysiska modeller. Man kan parametrisera sina modeller med hjälp av MATLAB-variabler och uttryck, och designa styrsystem för sitt fysiska system i Simulink. För att distribuera sina modeller till andra simuleringsmiljöer, inklusive HIL-system (hardware-in-the-loop), stöder Simscape generering av C-kod.
Simcenter Amesim
Det är en integrerad, skalbar plattform för mekatroniska systemsimuleringar. Den låter konstruktörer virtuellt bedöma och optimera systemprestanda. Det är en integrerad, skalbar plattform för systemsimuleringar som låter systemsimuleringsingenjörer virtuellt bedöma och optimera prestandan hos mekatroniska system. Detta kommer att öka den totala produktiviteten inom systemteknik från de tidiga utvecklingsstadierna till den slutliga prestandavalideringen och kontrollkalibreringen. För att spara tid när man skapar modeller kombinerar Simcenter Amesim färdiga multifysikbibliotek med applikations- och branschorienterade lösningar som stöds av kraftfulla plattformsfunktioner. Detta gör att man snabbt kan skapa modeller och utföra analyser korrekt. Simcenter Amesim är en öppen miljö som kan integreras i företagsprocesser. Användare kan enkelt koppla den till större programvarupaket för datorstödd ingenjörskonst (CAE), datorstödd design (CAD) och styrning, samverka med funktionella mockupgränssnitt (FMI) och ansluta den till andra Simcenter-lösningar och Teamcenter-programvara. Simcenter Amesim är en del av Siemens Xcelerator-portföljen, den omfattande och integrerade portföljen av programvara och tjänster från Siemens Digital Industries Software.
Dymola
Dynamic Modeling Laboratory, är ett komplett verktyg för modellering och simulering av integrerade och komplexa system och är särskilt populärt inom fordons- och flygindustrin samt akademisk forskning. Lös snabbt komplexa tvärvetenskapliga systemmodellerings- och analysproblem med hjälp av Dymolas Modelica- och simuleringsteknik. Dymola är en komplett miljö för modellskapande, testning, simulering och efterbehandling. Dymola har bra funktioner för flera olika teknikområden, vilket innebär att modeller kan bestå av komponenter från många olika teknikområden. Detta möjliggör modeller av kompletta system som bättre representerar den verkliga världen. Bibliotek inom många olika områden finns tillgängliga och innehåller komponenter för mekanik, el, styrning, termisk teknik, pneumatik, hydraulik, drivlina, termodynamik, fordonsdynamik, luftkonditionering etc. Dymolas funktioner ger möjligheter att modellera och simulera alla fysiska komponenter som kan beskrivas med vanliga differentialekvationer och algebraiska ekvationer på lägsta nivå, och dra-och-släpp-komposition på högre nivåer.
SimulationX
Det är en programvara för simulering av flera domäner. Moderna mobilitets- och maskinprodukter är komplexa, sammankopplade och dynamiska system. De består av en mängd komponenter och delsystem, vanligtvis baserade på olika tekniska domäner, och är i allt högre grad utrustade med sensorer och kontroller. Deras dynamiska interaktioner har en betydande inverkan på säkerhet, prestanda och komfort. Med ESI:s SimulationX-programvara modellerar, simulerar och analyserar ingenjörer beteendet hos alla delar av de tekniska systemen, inklusive mekanik, hydraulik, pneumatik, elektronik, termiska system och styrsystem. Omfattande komponentbibliotek med applikationsorienterade modellelement säkerställer att de har rätt verktyg tillgängliga för varje uppgift.
Automation Studio
Automation Studio™ erbjuder en användarvänlig plattform med tillgång till inbyggda komponentbibliotek som hjälper till att accelerera designprocessen. Det används ofta mer för schematisk design och utbildning än för avancerade beräkningar och används ofta på exempelvis gymnasier, yrkeshögskolor och universitet. Med integrerade simuleringsfunktioner blir det enkelt att snabbt animera, analysera och validera systems prestanda. Hydrauliska system används i industriella och mobila maskiner, dessa komplexa system designas och presenteras med hjälp av schematiska ritningar där varje komponent representeras av sin respektive symbol. Dessa scheman gör det möjligt att dela teknisk kunskap om systemet mellan ingenjörer och olika parter. Automation Studio™-programvaran tillhandahåller ett hydrauliskt bibliotek som innehåller alla komponentsymboler som krävs för att rita ett hydrauliskt system. När den hydrauliska schematiska designen är klar går Automation Studio™ ett steg längre och möjliggör simulera kretsen och göra noggranna mätningar av parametrar som tryck och flöde vid vilken tidpunkt som helst.
