Inverse identification problem - application to wheel-rail contact force measurements

• Autorzy: Uhl T. , Mendrok K. , Chudzikiewicz A.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie odwrotnego zagadnienia identyfikacji do pomiaru sił kontaktowych w układzie dynamicznym koło-szyna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An overview of loading forces identification technique is presented in the paper. The methods are classified into three main categories: deterministic methods, stochastic methods, and artificial intelligence-based methods. The methods are based on solution of inverse identification technique. Indicated above identification methods can be used for systems which are linear but not for non-linear ones. For both linear and nonlinear systems, methods based on minimisation of given objective function can be employed. Mainly the least square error between simulated and measured system response is used as objective function in this identification method. The dynamic programming optimisation method formulated by Bellman is commonly used for minimisation of objective function to estimate excitation forces. The load identification problems in most of practical cases are ill-conditioned problems because of not of state variabIes or initial conditions are not known. The ill-conditioned inverse identification problems can be solved using several techniques. The most useful are the following: generalised cross-validation method, dynamic programming technique and Tikhonov's method. The inverse identification techniques are based on assumed objective function optimisation methods. The theoretical background and main limits of the applications are discussed. Authors implement, in Matlab package, the chosen methods. The numerical and experimental tests on laboratory rig have been done to verify formulated approaches. Application of the method for identification of wheel-rail contact forces is presented. The method can be applied for indirect measurements of contact forces in railway equipment testing.

PL

W pracy zajęto się zagadnieniem identyfikacji sił w układzie dynamicznym. Metody zajmujące się tym zagadnieniem można zakwalifikować do trzech grup: metody deterministyczne, metody stochastyczne, metody bazujące na tzw. sztucznej inteligencji. Metody te są podstawą w rozwiązywaniu odwrotnych zagadnień identyfikacji. Wymienione metody mogą być wykorzystane w przypadku układów liniowych, jak i nieliniowych. W obydwu przypadkach w metodach tych zadania identyfikacji rozwiązywane są z wykorzystaniem metod optymalizacyjnych, głównie metodą z wykorzystaniem błędu średniokwadratowego pomiędzy wynikami uzyskanymi z symulacji i pomiarów na rzeczywistym obiekcie. Zagadnienia odwrotnej identyfikacji w praktycznych przypadkach należą do grupy problemów źle uwarunkowanych z uwagi na brak w postaci jawnej zmiennych stanu lub nieznanych warunków początkowych. W takich przypadkach zagadnienia te są rozwiązywane z wykorzystaniem techniki programowania dynamicznego lub metody Tikhonova. W artykule przedstawiono rozważania ogólne, wyniki symulacji, wyniki badań eksperymentalnych w zastosowaniu do problemu bezpośredniej identyfikacji sił kontaktowych występujących w układzie koło-szyna.

Słowa kluczowe

EN

load identification problem; inverse identification method; rail vehicle testing

• Wydawca: Warsaw University of Technology, Faculty of Transport
• Czasopismo: Archives of Transport
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 18, iss. 2
• Strony: 83--94
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Uhl T.

autor

Mendrok K.

autor

Chudzikiewicz A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30

Bibliografia

• l. Kanehara H. et al.: Study on online measurement of longitudinal creep force of railway vehicles. [In:] Proceedings of the Conference J-Rail '98, Tokyo, November 1998.
• 2. Bracciali A., Cascini G.: Rolling contact force energy reconstruction. Journal of Sound and Vibration, Vol. 236, No. 2, 2000, p. 185-192.
• 3. Nielsen J., Johansson A.: Out of round railway wheels - literature survey. In Proc. of the Institute of Mechanical Engineers, Part F, Vol. 214, pp. 79-91.
• 4. Lechowicz S., Hunt C.: Monitoring and managing wheel condition and loading. Proc. of International Symposium for Transportation Recorders, Arlington, 1999, p. 205-239.
• 5. Chudzikiewicz A.: Selected elements of the contact problems necessary for investigating the rail vehicle system dynamics. Advanced railway vehicle system dynamics, ed. Kisilowski J., Knothe K., WNT, Warszawa, 1991.
• 6. Chudzikiewicz A.: Elements of rail vehicle diagnostics (in Polish). ITE, Radom, 2002.
• 7. Kanehara H., Fujioka T.: Measuring rail/wheel contact points of running railway vehicles. Wear 253, 2002, p. 275-283.
• 8. Trujillo D. M., Busby H. R.: Practical Inverse Engineering. CRC Press, London, 1997.
• 9. Uhl T.: Computer assisted identification of mechanical structures (in Polish). WNT, Warszawa, 1998.
• 10. Anger G.: Inverse Problems in Differential Equations. Plenum Press, New York, 1990.
• 11. Busby H. R., Trujillo D. M.: Solution of an inverse dynamics problem using an eigenvalue reduction technique. Computer & Structures, Vol. 25, No 1, 1986.
• 12. Cannon J. R., Hornung U.: Inverse Problems. Birkhauser Verlag, Vauser, 1986.
• 13. Dobson B. J., Rider E.: A review of the indirect calculation of excitation forces from measured structural response data. Journal of Mechanical Engineering Science, 204, 1990, p. 69-75.
• 14. Giergiel J., Uhl T.: Identification of impact forces in mechanical systems. Archives of Machine Design, T. XXXVI, No. 2-3, 1989.
• 15. Giergiel J., Uhl T.: Identification of the input excitation forces in mechanical structures. The Archives of Transport, Vol. 1, No. l, 1989.
• 16. Uhl T.: Identification of loads in mechanical structures-helicopter case study. Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, 9, 2002, p. 151-160.
• 17. Uhl T., Pieczara J.: Identification of operational loading forces for mechanical structures. The Archives of Transport, Vol. XVI, No. 2, 2003, p. 109-126.
• 18. Hansel E.: Inverse Theory and Applications for Engineers. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1991.
• 19. Li J.: Application of mutual energy theorem for determining unknown force sources. Proc. Of Internoise '88, Avignion, 1988.
• 20. Inoue H., Ishida H., Kishimoto K., Shibuya T.: Measurements of impact load by using an inverse analysis technique. JSME International Journal, Series I, Vol. 34, No. 4, 1991, p. 453-458.
• 21. Zhang Q., Allemang R. J., Brown D. L.: Modal filter: concept and applications. Proc of 8-th IMAC, 1990, p. 487-496.
• 22. Meirovitch L., Baruch H.: Control of self-adjoint distributed-parameter systems. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 5, 1982, p. 60-66.
• 23. Allemang R. J., Brown D. L., Fludang W.: Modal parameter estimation: unified matrix polynimaial approach. Proc of the 12-th IMAC, 1994, p. 501-514.
• 24. Trujillo D. M.: Application of Dynamic programming to the general inverse problem. International Journal on Numerical Methods in Engineering, Vol. 23, 1987, p. 613-624.
• 25. Simonian S. S.: Inverse problems in structural dynamics. Int. Journal on Numerical Methods in Engineering, Vol. 17, 1981, p. 357-365.
• 26. Tikhonov A. N., Arsenin, V. Y.: Solution of III-possed Problems. Winston and Sons, Washington, D.C., 1977.
• 27. Stelzner D. A., Kammer D. C.: Input force estimation using an inverse structural filter. Proceedings of 17-th IMAC, Orlando, Florida, USA, 1999.
• 28. Kiełbasiński A., Schwetlicki H.: Numeryczna algebra liniowa. WNT, Warszawa, 1992.