Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Bachrathy, Dániel Bencsik, László Dombóvári, Zoltán Insperger, Tamás Magyar, Bálint Miklós, Ákos Reith, Márta Takács, Dénes Zelei, Ambrus
Starting date
2012-01-01
Closing date
2015-12-31
Funding (in million HUF)
12.169
FTE (full time equivalent)
8.55
state
closed project
Summary in Hungarian
Amikor egy gép üzeme során a gépelemek kapcsolatban vannak egymással, dinamikai viselkedésük függ az érintkezési felületeken megoszló erők karakterisztikájától. Ezen erők meghatározására és modellezésére számos módszer létezik, ha az érintkezés statikus. Ebben az esetben a véges elemes analízis iteratív módszerei ugyanolyan hasznosak lehetnek, mint a kísérleti eljárások, melyek a nyúlási állapotról szolgáltatnak információt az érintkezési területen.
Dinamikus érintkezéskor, a rugalmas-képlékeny deformáció csatolva a hőmérsékletváltozás miatt bekövetkező anyagjellemzők változásával és esetlegesen az érintkezési terület közelében létrejövő anyagrészek fragmentációjával a valósághű modellezést nagyon költségessé teszi. A mechanikai modellezés és numerikus szimuláció komplexitása lehetetlenné teszi ennek a módszernek az alkalmazását nemlineáris dinamikai számítások esetében, melyek önmagukban is bonyolultak. Az érintkezési erők ilyenkor csak alapos kísérleti vizsgálatok segítségével írhatók le; az eredmények tervezési segédletekben, mérnöki szoftverek szubrutinjaiban jelennek meg. A kísérletek jellemzően stacionárius jellegűek, gyors fordulatszámú gépelemek dinamikus számítására nem adnak kielégítően pontos megoldást.
A projekt célja olyan alapkutatás, ami a kísérleti úton meghatározott érintkezési erők modellezését és leírását tűzi ki célul a gép üzemelése közben végzett kísérletekkel. A mérnöki alkalmazások között említjük a gyártási folyamatok közben fellépő forgácsoló erőket, a járműdinamikában a kúszóerőket, robotok erőszabályozása esetében az ember-gép érintkezési erőket, vagy az egyszerű száraz súrlódási erőket például kerekek fékezése esetén.
Summary
When machine parts are in contact during the operation of any machine, their dynamic behavior is essentially influenced by the characteristics of the contact forces that are distributed along the contact surfaces. There exist advanced methodologies to model and describe these forces when the contact is static. In these cases, iterative methods of finite element analysis are equally helpful as the experimental methods providing information about the strain state of the contact region.
In case of dynamic contact, the elasto-plastic deformation combined with the variation of material properties due to heat generation and possible material fragmentation in the vicinity of the contact region make rigorous modeling extremely expensive. The complexity of mechanical modeling and its numerical evaluation makes this methodology inaccessible for implementation in nonlinear dynamical calculations that might be highly intricate by themselves. As a consequence, these contact forces are characterized by thorough experimental studies; the results are organized in design manuals and subroutines of engineering software. Still, these experiments are usually stationary ones, and their implementations in dynamical calculations involving high-speed machine parts are far from satisfactory.
This project proposal aims to carry out basic research in the characterization of contact forces from dynamic experiments evaluated during the operation of the machine. The possible engineering applications include the identification of cutting forces for manufacturing, creep forces for vehicle dynamics, human-machine contact forces for robotic force control or simple dry friction force for brake pads.
Final report
Results in Hungarian
A projektben dinamikus érintkezési feladatokat oldottunk meg. A kialakított mechanikai modellezési módszertan és a hozzájuk kapcsolódó matematikai megközelítés lényege, hogy az érintkezési tartományok bonyolult mechanikai deformációs és termodinamikai folyamatait leíró, nagy számítási igényű és csak numerikusan kezelhető parciális differenciálegyenlet-rendszerekkel szemben egyszerűsített, késleltetett differenciálegyenletes modellezést alkalmazunk. Ezek a bonyolultabb modellekből haladó hullám jellegű megoldásokkal származtathatók.
A módszer előnye, hogy az ezekre kifejlesztett megfelelő numerikus megoldási eljárás (a szemi-diszkretizáció) számítási igénye jelentősen kisebb. Másik előnye, hogy a klasszikus stabilitási és bifurkációs vizsgálatok végtelen dimenziós kiterjesztésével sokszor analitikus eredmények is elérhetők. Ezeket sikerrel alkalmazzák azután a nagy bonyolultságú véges elemes számítások tesztelésére is.
A modellezési és számítási technika feltétlenül kísérleti igazolást igényelt, mivel eredményei sokszor a mérnöki intuícióval ellentétesek. Számos egyszerűsített laboratóriumi és az ERC projekt támogatásával néhány ipari szintű kísérlettel igazoltuk eredményeinket. A sikeres mérnöki alkalmazások között említjük a fémek forgácsolása során fellépő forgácsoló erőket, a járműdinamikában az egyszerű csúszási/tapadási súrlódó erőktől a kúszóerőkig, illetve a robotok erőszabályozását ahol gép-munkadarab, illetve gép-ember között jelentkeznek érintkezési erők.
Results in English
Dynamic contact problems have been solved. The main idea of our approach of mechanical modelling and related mathematical techniques is that instead of the system of partial differential equations which govern the complex mechanical and thermodynamic processes in the contact region of machine parts, simplified delay-differential equation models are introduced. These are obtained from the complex models by means of travelling wave-like solutions.
The advantage of the developed approach is that it is computationally less demanding than the solution of the classical models, especially if the developed semi-discretization method is used. Also, the infinite dimensional generalization of linear stability analysis and bifurcation theory makes it possible to produce closed form analytical results in some cases. These can then successfully be used to test the complex finite element calculations.
On the other hand, our modelling and numerical techniques require experimental confirmation because the theoretical results are often counter-intuitive in engineering. Several laboratory experiments and – by means of the ERC project – some industrial measurements supported our results. Among the successful engineering applications we mention the cutting force in metal cutting processes, the contact forces from sticking/sliding friction forces to creep forces in vehicle dynamics, and contacts in force control of robotics in case of machine-workpiece and machine-human interactions.
BACHRATHY Daniel, KOSSA Attila, STEPAN Gabor: Modeling process damping via FEM based Force-FRF, In: Yusuf Altintas (szerk.) (szerk.) 4th INTERNATIONAL CONFERENCE on VIRTUAL MACHINING PROCESS TECHNOLOGY (VMPT 2015). Vancouver: University of British Columbia, 2015. pp. ., 2015
Takacs D; Stepan G: Regenerative effect of tire carcass in simple shimmy models, Proceedings of the ASME 2013 International Design Engineering Technical Conferences August 4-7, 2013, Portland, Oregon, USA, article no. DETC2013-13158, pp. 1-6, 2013
Stepan G: Delayed dynamical systems in engineering: where the rubber meets the road, Abstracts of SIAM Conference on the Application of Dynamical Systems, May 19-23, 2013, Snowbird, Utah), USA, 2013
Stepan G: Wheel shimmy and delayed tyre models, Electronic Proceedings of 11th International Conference on Vibration Problems, 9-12 September 2013,Lisbon, Portugal, pp. 1-8, 2013
Bachrathy D, Stepan G: Multi-Dimensional Bisection Method in experimental validation of stability charts, ENOC 2014. Konferencia helye, ideje: Bécs, Ausztria, 2014.08.06-2014.08.11. Paper 557. 3 p., 2014
Dombovari Z, Stepan G: On the Nonsmooth Dynamics of Conventional Milling Processes, ENOC 2014. Konferencia helye, ideje: Bécs, Ausztria, 2014.08.06-2014.08.11. Paper 558, pp. 1-2., 2014
Reith Marta J, Bachrathy Daniel, Stepan Gabor: Optimization of the robust stability limit for multi-cutter turning processes, In: ASME (szerk.) (szerk.) Proceedings of the ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference . Boston, Amerikai Egyesült Államok, 2015.08.02-2015.08.05. Kiadvány: Boston: 2015. Paper Reith et al. , 2015
Reith MJ, Stepan G: Stability boundaries of the turning process for extreme damping values, Proceedings of Gépészet, Budapest, 24-25 May, pp. 1-7, 2012
Dombovari Z, Stepan G: Experimental identification of bi-stable parameter zones in milling processes, Proceedings of 23rd Int. Congress on Theoretical and Applied Mechanics, Beijing, 19-24 August, pp. 1-2., 2012
Dombovari Z. Stepan G: Dynamic effects of varying helix angles in drilling bits, Proceedings of 2nd Int. Colloquium on Nonlinear Dynamics and Control of Deep Drilling Systems, Eindhoven, 15-16 May, pp. 11-16, 2012
