Digital Twin Monitoring of Offshore Knuckle Boom Crane
Abstract
Digital tvilling-teknologi er forventet å oppleve kraftig vekst. Mye av trekkraften springerut i den fjerde industrielle revolusjonen ved cyber fysiske systemer som slår bro mellomden fysiske og virtuelle verden. En bro som vil revolusjonere vedlikehold og produktutvikling.Definisjonen av en digital tvilling er brukt på tvers av plattformer som prosesser,produkter og tjenester. I strukturell mekanikk er definisjonen begrenset til en virtuellgjengivelse av en fysisk struktur med identisk strukturell adferd.
Denne masteroppgaven presenterer en «ende til ende» digital tvilling-løsning. Implementerteløsninger med tilhørende metode og teori er beskrevet i detalj. Instrumentering,modellering, system-kobling, sanntidssimulering, skybasert overvåkingssystem ogrestlevetid estimeringer er inkludert. Den digitale tvillingen referert til i denne oppgavener et system av en kran og en flåte. Kranen befinner seg på det marintekniske senteret vedNTNU, Trondheim. Den fysiske flåten ble aldri realisert i løpet av oppgaven. Fokuseter på den anvendte inversmetoden og den foreslåtte co-simuleringsimplementeringen. Eninversmetode i strukturell dynamikk er metoden for å identifisere laster basert på målteresponser på et fysisk system. En inversmetode basert på elementmetoden ble anvendt. Enco-simulering er en transient simulering av koblete subsystemer. Uavhengige dynamiskesimuleringssubsystemer fra Fedem Technology ble sammenkoblet gjennom FunctionalMock-up Interface (FMI), en verktøyuavhengig standard for modellutveksling mellomplattformer. Siden den fysiske flåten aldri realiserte seg i løpet av oppgaven er konsepteneog løsningene for co-simulering beskrevet testet og validert kun i virtuelle omgivelser.
Strekklapper ble brukt til å måle responser til bruk i inversmetoden. Resultatene viste atnøyaktigheten på metoden var høyst avhengig av mengden elektrisk støy på det fysiskeoppsettet. Likevel, dersom støynivåene var lave nok, er inversmetoden med sine quasistatiskeantagelser konkludert som velformulert for tilfellet ved en digital tvilling av enkran alene. Co-simuleringen testet i de støyfrie virtuelle omgivelsene viste lovende resultater.De identifiserte lastene, samt resulterende tøyninger var tilfredsstillende nøyaktige.Videre testing i fysiske omgivelser er avgjørende for videre validering. Resultater er imidlertidlovende, og et sterkt grunnlag for videre utvikling av en sanntids digital tvillingmed co-simulering har blitt lagt. Digital twin technology is forecasted to experience substantial growth. Much of the tractionoriginates from the fourth industrial revolution of cyber-physical systems, bridgingthe gap between the physical and virtual worlds, a bridge that will revolutionize maintenanceand product development. The definition of a digital twin is used across variousdisciplines such as processes, products and services. In structural mechanics, however, thedefinition is limited to the generation of a virtual replication of a physical structure withidentical structural behavior.
This master thesis presents an end to end digital twin solution. Implemented solutionswith accompanying methods and theories are described in detail. Instrumentation, inversemethod, modeling, subsystem coupling, real-time simulation, cloud-based monitoringsystem (CBMS) and remaining useful life estimations are considered. The digital twinreferred to in this thesis is a system of a barge and a crane. The crane is located at the centerof Marine Technology at Tyholt, Trondheim. The physical barge was never realized duringthe thesis. Focus is given to the applied inverse method and the proposed co-simulationimplementation.
An inverse method in structural dynamics is the identification of loads based on measuredresponses on a physical system. An inverse method based on finite element beam theorywas applied. A co-simulation is a transient simulation of coupled subsystems. Independentdynamic simulation subsystems powered by Fedem technology were coupled throughthe use of the Functional Mock-up Interface (FMI), a tool-independent standard createdfor cross-platform model exchange. As the physical barge was never realized in the thesis,the concepts and proposed solutions for co-simulation are described, tested and validatedin a virtual environment only.
Strain gauges were used to measure the responses used in the inverse method. Resultsshow that the accuracy of the method is highly dependent on the electrical noise in thephysical setup. However, for the case of satisfactory noise levels, the inverse method withits quasi-static assumption is assumed to be well formulated for the standalone crane digitaltwin. The co-simulation tested in the noise-free virtual environment showed promisingresults. The identified loads, as well as resulting strains, were satisfactory accurate. Furthertesting in a real-life application will be essential for further validation. Results arehowever promising, and a strong foundation for further development of a real-time structuraldigital twin co-simulation has been laid.