An efficient unified method for the combined simulation of multibody and hydraulic dynamics: comparison with simplified and co-integration approaches

• Autorzy: Naya M. A. , Cuadrado J. , Dopico D. , Lugris U.

Warianty tytułu

PL

Skuteczna, zunifikowana metoda połączonej symulacji dynamiki systemu wieloczłonowego i hydraulicznego: porównanie podejścia uproszczonego i integracyjnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A formulation developed at the Laboratory of Mechanical Engineering allows robust and efficient simulation of large and complex multibody systems. Simulators of cars, excavators and other systems have been developed showing that real-time simulations are possible even when facing demanding manoeuvres. Hydraulic actuators are presented in many industrial applications of multibody systems, like in the case of the heavy machinery field. When simulating the dynamics of this kind of problems that combine multibody dynamics and hydraulics, two different approaches are common: to resort to kinematically guide the variable length of the actuator, thus avoiding the need to consider the dynamics of the hydraulic system; or to perform a multi-rate integration of both subsystems if a more detailed description of the problem is required, for example, when the objective of the study is to optimize the pump control. This work addresses the inclusion of hydraulic actuators dynamics in the above-mentioned self-developed multibody formulation, thus leading to a unified approach. An academic example serves to compare the efficiency, accuracy and ease of implementation of the simplified (kinematic guidance), multi-rate and unified approaches. Such a comparison is the main contribution of the paper, as it may serve to provide guidelines on which approach to select depending on the problem characteristics.

PL

W Laboratorium Budowy Maszyn (Laboratory of Mechanical Engineering) Uniwersytetu La Coruna opracowano solidne i skuteczne sformułowanie problemu symulacji umożliwiające symulację dużych, skomplikowanych systemów wieloczłonowych. Opracowano symulatory samochodów, koparek i innych maszyn wykazując, że można wykonać symulacje w czasie rzeczywistym, nawet w sytuacji skomplikowanych manewrów. Siłowniki hydrauliczne są wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych w systemach wieloczłonowych, np. w maszynach roboczych. Przy symulacji tego rodzaju systemów, w których występuje połączenie hydrauliki z dynamiką systemów wieloczłonowych, można najczęściej zastosować jedno z dwu podejść: ograniczyć się do kinematycznego sterowania zmienną długością siłownika, unikając w ten sposób konieczności uwzględnienia dynamiki systemu hydraulicznego albo, gdy wymagany jest bardziej szczegółowy opis problemu, np. gdy celem symulacji jest optymalizacja sterowania pompy, wykonać wielostopniowe całkowanie w obydwu systemach. W przedstawionej pracy dokonano włączenia dynamiki siłowników hydraulicznych do wspomnianego wyżej samodzielnego sformułowania dla systemu wieloczłonowego, co doprowadziło do podejścia zunifikowanego. Zaprezentowano przykład akademicki, w którym porównano efektywność, dokładność i łatwość implementacji podejść uproszczonego (sterowanie kinematyczne), wielostopniowego i zunifikowanego. To porównanie jest najważniejszym przyczynkiem, jaki wnosi prezentowana praca, gdyż może służyć wskazaniu wyboru właściwego podejścia w zależności od charakterystyk problemu.

Słowa kluczowe

EN

multibody dynamics; hydraulic dynamics; augmented Lagrangian formulation; efficient simulation; hydraulic cylinder; heavy machinery

PL

dynamika systemów wieloczłonowych; dynamika systemów hydrauliczych; rozszerzona metoda Lagrange'a; symulacja skuteczna; cylinder hydrauliczny; maszyny robocze ciężkie

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. LVIII, nr 2
• Strony: 223--243
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Naya M. A.

autor

Cuadrado J.

autor

Dopico D.

autor

Lugris U.

• Laboratory of Mechanical Engineering, University of La Coruna, Ferrol, 15403, Spain,

Bibliografia

• [1] Cuadrado J., Cardenal J., Morer P., Bayo E.: Intelligent Simulation of Multibody Dynamics: Space-State and Descriptor Methods in Sequential and Parallel Computing Environments, Multibody System Dynamics, Vol. 4, pp. 55-73, 2000.
• [2] Cuadrado J., Dopico D., Gonzalez M., Naya M.A.: A Combined Penalty and Recursive Real-Time Formulation for Multibody Dynamics, Journal of Mechanical Design, Vol. 126, pp. 602-608, 2004.
• [3] Fales R., Spencer E., Chipperfield K., Wagner F., Kelkar A.: Modeling and Control of a Wheel Loader with a Human-in-the-Loop Assessment using Virtual Reality, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 127, pp. 415-423, 2005.
• [4] Sekhavat P., Sepehri N., Wu Q.: Impact Stabilizing Controller for Hydraulic Actuators with Friction: Theory and Experiments, Control Engineering Practice, Vol. 14, pp. 1423-1433, 2005.
• [5] Merritt H.E.: Hydraulic Control Systems, Wiley, New York, 1967.
• [6] Eryilmaz B., Wilson B.H.: Unified Modeling and Analysis of a Proportional Valve, Journal of the Franklin Institute, Vol. 343, pp. 48-68, 2006.
• [7] Gonzalez M., Luaces A., Dopico D., Cuadrado J.: A 3D Physics-Based Hydraulic Excavator Simulator, Proceedings of the ASME World Conference on Innovative Virtual Reality (WINVR09), Paper 734, Chalon-sur-Saone, France, 2009.
• [8] Vaculin M., Valasek M., Krüger W.R.: Overview of Coupling of Multibody and Control Engineering Tools, Vehicle System Dynamics, Vol. 41, pp. 415-429, 2004.
• [9] Valasek M.: Modeling, Simulation and Control of Mechatronical Systems, Simulation Techniques for Applied Dynamics (Arnold M. and Schiehlen W. eds.), Springer, Wien-New York, 2008.
• [10] Brüls O., Arnold M.: The Generalized-α Scheme as a Linear Multistep Integrator: Towards a General Mechatronic Simulator, Proceedings of the ASME Int. DETC & CIEC, Las Vegas, Nevada, USA, 2007.
• [11] Pfeiffer F., Foerg M., and Ulbrich H.: Numerical Aspects of Non-Smooth Multibody Dynamics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 195, pp. 6891-6908, 2006.
• [12] Busch M., Arnold M., Heckmann A., Dronka S.: Interfacing SIMPACK to Modelica/Dymola for Multi-Domain Vehicle System Simulations, SIMPACK News, Vol. 11, No. 2, pp. 1-3, 2007.
• [13] Cardona A. and Geradin M.: Modeling of a Hydraulic Actuator in Flexible Machine Dynamics Simulation, Mechanisms and Machine Theory, Vol. 25, pp. 193-207, 1990.
• [14] Bauchau O.A. and Liu H.: On the Modeling of Hydraulic Components in Rotorcraft Systems, Journal of the American Helicopter Society, Vol. 51, pp. 175-184, 2006.
• [15] Welsh W.A.: Simulation and Correlation of a Helicopter Air-Oil Strut Dynamic Response, Proceedings of the American Helicopter Society 43rd Annual Forum, St. Louis, Missouri, USA, 1987.
• [16] Garcia de Jalon J., Bayo E.: Kinematic and Dynamic Simulation of Multibody Systems -The Real-Time Challenge-, Springer-Verlag, New York, 1994.