Numerical Verification of the Accuracy of the Results of Modeling Collisions in Multibody Systems Obtained Using Simulations Based on the Project Chrono Library

• Autorzy: Warzecha Mariusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.8433

Warianty tytułu

PL

Weryfikacja numeryczna dokładności wyników modelowania zderzeń w układach wieloczłonowych otrzymanych z wykorzystaniem symulacji opartych o bibliotekę Project Chrono

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Simulating multibody systems presents many challenges. Project Chrono, a specialised library, has been developed to support engineers tackling these challenges. To offer reliable results, such tools require complex validation. This study aims to analyse and validate the low-level behaviour of contact force models implemented in the module chrono::core, part of the Project Chrono library. To accomplish this, impacts occurring in systems consisting of 4 to 6 spheres were used. The velocity of the sphere initiating the impact ranged from 0.1 to 3 m/s. The post-impact velocity was used as the main comparison quantity. The reference data for comparison were obtained from FEM analysis performed in Code Aster. The comparison resulted in graphs showing the percentage velocity errors for all the systems investigated. These plots showed significant errors, reaching 22.75% for some cases. At the same time, the average error for all spheres in the mentioned case was equal to 1.68%. This led to the conclusion that a proper definition of model parameters can lead to satisfactory results on a global model scale. The study also described potential sources of errors and proposed directions for further development.

PL

Symulacja systemów wieloczłonowych wiąże się z wieloma wyzwaniami. Specjalistyczna biblioteka Project Chrono została opracowana, aby wspierać inżynierów w radzeniu sobie z nimi. Aby oferować wiarygodne wyniki, narzędzia takie wymagają złożonej walidacji. Niniejsze badanie ma na celu analizę i walidację niskopoziomowego zachowania modeli sił kontaktu zaimplementowanych w module chrono::core, będącym częścią biblioteki Project Chrono. Aby to osiągnąć, wykorzystano zderzenia występujące w układach składających się z 4 do 6 kul. Prędkość kuli inicjującej zderzenie wynosiła od 0,1 do 3 m/s. Walidacja oparta została o ocenę prędkości kul po zderzeniu. Dane referencyjne do porównania uzyskano z analizy MES przeprowadzonej w programie Code Aster. W wyniku porównania utworzono wykresy przedstawiające procentowe błędy prędkości dla wszystkich badanych systemów. Wykresy te wykazały znaczne błędy, sięgające w niektórych przypadkach 22,75%. Jednocześnie średni błąd dla wszystkich kul we wspomnianym przypadku wyniósł 1,68%. Sugeruje to wniosek, że odpowiednia definicja parametrów modelu może prowadzić do zadowalających wyników w skali globalnej. W artykule opisano również potencjalne źródła błędów i zaproponowano kierunki dalszego rozwoju.

Słowa kluczowe

EN

multiple impact; multi-body system; contact force model; Code Aster; Project Chrono; validation

PL

zderzenie wielokrotne; układ wieloczłonowy; model siły kontaktu; Code Aster; Project Chrono; walidacja

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 2
• Strony: 105--119
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab., wykr, wz.

Twórcy

autor

Warzecha Mariusz

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, A. Mickiewicza 30 Ave, 30-059 Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7417-1561

Bibliografia

• 1. Tasora, A., Masarati, P.: Analysis of Rotating Systems Using General-Purpose Multibody Dynamics, in Proceedings of the 9th IFToMM International Conference on Rotor Dynamics, P. Pennacchi, Ed., in Mechanisms and Machine Science, vol. 21. Cham: Springer International Publishing, 2015, pp. 1689–1701. doi: 10.1007/978-3-319-06590-8_139.
• 2. Mazhar, H., Osswald, T., Negrut, D.: On the use of computational multi-body dynamics analysis in SLSbased 3D printing, Addit. Manuf., vol. 12, pp. 291–295, Oct. 2016, doi: 10.1016/j.addma.2016.05.012.
• 3. Tasora, A., Mangoni, D., Negrut, D., Serban, R., Jayakumar, P.: Deformable soil with adaptive level of detail for tracked and wheeled vehicles, Int. J. Veh. Perform., vol. 5, no. 1, p. 60, 2019, doi: 10.1504/ IJVP.2019.097098.
• 4. Young, A. et al.: Enabling Artificial Intelligence Studies in Off-Road Mobility Through Physics-Based Simulation of Multiagent Scenarios, J. Comput. Nonlinear Dyn., vol. 17, no. 5, p. 051001, May 2022, doi: 10.1115/1.4053321.
• 5. Benatti, S. et al.: PyChrono and gym-chrono: A Deep Reinforcement Learning Framework Leveraging Multibody Dynamics to Control Autonomous Vehicles and Robots, in Advances in Nonlinear Dynamics, W. Lacarbonara, B. Balachandran, M.J. Leamy, J. Ma, J.A. Tenreiro Machado, G. Stepan, Eds., in NODYCON Conference Proceedings Series. Cham: Springer International Publishing, 2022, pp. 573–584. doi: 10.1007/978-3-030-81166-2_50.
• 6. Benatti, S., Tasora, A., Mangoni, D.: Training a Four Legged Robot via Deep Reinforcement Learning and Multibody Simulation, in: Multibody Dynamics 2019, A. Kecskeméthy and F. Geu Flores, Eds., in: Computational Methods in Applied Sciences, vol. 53. Cham: Springer International Publishing, 2020, pp. 391–398. doi: 10.1007/978-3-030-23132-3_47.
• 7. Pazouki, A., Serban, R, Negrut, D.: A High Performance Computing Approach to the Simulation of Fluid-Solid interaction Problems with Rigid and Flexible Components, Arch. Mech. Eng., vol. 61, no. 2, pp. 227–251, Aug. 2014, doi: 10.2478/meceng-2014-0014.
• 8. Brito, M. et al.: A numerical tool for modelling oscillating wave surge converter with nonlinear mechanical constraints, Renew. Energy, vol. 146, pp. 2024–2043, Feb. 2020, doi: 10.1016/j. renene.2019.08.034.
• 9. Zhang, R., Zhang, H., Zanoni, A., Tasora, A., Masarati P.: Explicit smooth/nonsmooth cosimulation using kinematic constraints, Multibody Syst. Dyn., vol. 55, no. 1–2, pp. 3–37, Jun. 2022, doi: 10.1007/ s11044-022-09829-w.
• 10. Ferrari F., Tasora A., Masarati P, Lavagna M.: N-body gravitational and contact dynamics for asteroid aggregation, Multibody Syst. Dyn., vol. 39, no. 1–2, pp. 3–20, Jan. 2017, doi: 10.1007/s11044-016- 9547-2.
• 11. Coïsson, E., Ferrari L., Ferretti, D, Rozzi, M.: Non-smooth Dynamic Analysis of Local Seismic Damage Mechanisms of the San Felice Fortress in Northern Italy, Procedia Eng., vol. 161, pp. 451–457, 2016, doi: 10.1016/j.proeng.2016.08.589.
• 12. Beatini, V., Royer-Carfagni, G., Tasora, A.: The role of frictional contact of constituent blocks on the stability of masonry domes, Proc. R. Soc. Math. Phys. Eng. Sci., vol. 474, no. 2209, p. 20170740, Jan. 2018, doi: 10.1098/rspa.2017.0740.
• 13. Grzejda, R.: Determination of Bolt Forces and Normal Contact Pressure Between Elements in the System with Many Bolts for its Assembly Conditions, Adv. Sci. Technol. Res. J., vol. 13, no. 1, pp. 116–121, Mar. 2019, doi: 10.12913/22998624/104657.
• 14. Grzejda, R.: Thermal strength analysis of a steel bolted connection under bolt loss conditions, Eksploat. Niezawodn. – Maint. Reliab., vol. 24, no. 2, pp. 269–274, Jun. 2022, doi: 10.17531/ein.2022.2.8.
• 15. Lukaszewicz, A., Panas, K., Szczebiot, R.: Design process of technological line for vegetables packaging using CAx tools, presented at the 17th International Scientific Conference Engineering for Rural Development, May 2018. doi: 10.22616/ERDev2018.17.N494.
• 16. Deskiewicz, A., Perz, R.: Agricultural aircraft wing slat tolerance for bird strike, Aircr. Eng. Aerosp. Technol., vol. 89, no. 4, pp. 590–598, Jul. 2017, doi: 10.1108/AEAT-11-2016-0220.
• 17. Jastrzębski, D., Perz, R.: Rib kinematics analysis in oblique and lateral impact tests, Acta Bioeng. Biomech., vol. 22, no. 1, 2020, doi: 10.37190/ABB-01431-2019-03.
• 18. Mazhar, H. et al.: CHRONO: a parallel multi-physics library for rigid-body, flexible-body, and fluid dynamics, Mech. Sci., vol. 4, no. 1, pp. 49–64, Feb. 2013, doi: 10.5194/ms-4-49-2013.
• 19. Sunday, C., Murdoch, N., Tardivel, S., Schwartz, S.R., Michel, P.: Validating N-body code chrono for granular DEM simulations in reduced-gravity environments, Mon. Not. R. Astron. Soc., vol. 498, no. 1, pp. 1062–1079, Oct. 2020, doi: 10.1093/mnras/staa2454.
• 20. Melanz, D.: On the validation and applications of a parallel flexible multi-body dynamics implementation, University of Wisconsin--Madison, 2012.
• 21. Khude, N., Melanz, D., Stanciulescu, I., Negrut, D.: A Parallel GPU Implementation of the Absolute Nodal Coordinate Formulation With a Frictional/Contact Model for the Simulation of Large Flexible Body Systems, in Volume 4: 8th International Conference on Multibody Systems, Nonlinear Dynamics, and Control, Parts A and B, Washington, DC, USA: ASMEDC, Jan. 2011, pp. 991–998. doi: 10.1115/ DETC2011-48816.
• 22. Fleischmann, J., Serban, R., Negrut, D., Jayakumar, P.: On the Importance of Displacement History in Soft-Body Contact Models, J. Comput. Nonlinear Dyn., vol. 11, no. 4, p. 044502, Jul. 2016, doi: 10.1115/1.4031197.
• 23. Pazouki A. et al.: Compliant contact versus rigid contact: A comparison in the context of granular dynamics, Phys. Rev. E, vol. 96, no. 4, p. 042905, Oct. 2017, doi: 10.1103/PhysRevE.96.042905.
• 24. Minamoto H., Kawamura S.: Effects of material strain rate sensitivity in low speed impact between two identical spheres, Int. J. Impact Eng., vol. 36, no. 5, pp. 680–686, May 2009, doi: 10.1016/j. ijimpeng.2008.10.001.
• 25. Minamoto, H., Kawamura, S.: Moderately high speed impact of two identical spheres, Int. J. Impact Eng., vol. 38, no. 2, pp. 123–129, Feb. 2011, doi: 10.1016/j.ijimpeng.2010.09.005.
• 26. Yu, B. et al.: Analysis of plastic yield behaviour during impact of a rigid sphere on an elastic-perfectly plastic half-space, Int. J. Mech. Sci., vol. 237, p. 107774, Jan. 2023, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107774.
• 27. Ding, S., Jian, B., Zhang, Y., Xia, R., Hu, G.: A normal contact force model for viscoelastic bodies and its finite element modeling verification, Mech. Mach. Theory, vol. 181, p. 105202, Mar. 2023, doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2022.105202.
• 28. Ghaednia, H., Marghitu, D.B, Jackson, R.L.: Predicting the permanent deformation after the impact of a rod with a flat surface, J. Tribol., vol. 137, no. 011403, Oct. 2014, doi: 10.1115/1.4028709.
• 29. Tancredi, G., Maciel, A., Heredia, L., Richeri, P., Nesmachnow S.: Granular physics in low-gravity environments using discrete element method: Granular physics in low-gravity environments, Mon. Not. R. Astron. Soc., vol. 420, no. 4, pp. 3368–3380, Mar. 2012, doi: 10.1111/j.1365-2966.2011.20259.x.
• 30. Electricité de France: Finite element code_aster, Analysis of Structures and Thermomechanics for Studies and Research. 1989.
• 31. Geuzaine, C., Remacle, J.-F.: Gmsh: A 3-D finite element mesh generator with built-in pre- and postprocessing facilities: THE GMSH PAPER, Int. J. Numer. Methods Eng., vol. 79, no. 11, pp. 1309–1331, Sep. 2009, doi: 10.1002/nme.2579.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).