Contact parameter identification of machines based on nonlinear dynamical experiments  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101714
Type K
Principal investigator Stépán, Gábor
Title in Hungarian Gépszerkezetek érintkezési paramétereinek azonosítása nemlineáris dinamikai kísérletekkel
Title in English Contact parameter identification of machines based on nonlinear dynamical experiments
Keywords in Hungarian nemlineáris rezgések, bifurkációk, nemlineáris karakteriszitkák
Keywords in English nonlinear vibrations, bifurcations, nonlinear characteristics
Discipline
Mechanics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Vibration engineering
Panel 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.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101714
Decision
Yes





 

List of publications

  
Stepan Gabor , Toth Mate , Bachrathy Daniel, Ganeriwala Suri: Spectral properties of milling and machined surface, MATER SCI FORUM 836-837: 570-577, 2016
Bachrathy D, Munoa J, Stepan G: Experimental validation of appropriate axial immersions for helical mills, INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY Vol. 80 pp. 1-8., 2015
Dombovari Z, Stepan G: On the bistable zone of milling processes, PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY A Vol. 373, paper no. 20140409, pp. 1-17, 2015
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
Habib G, Rega G, Stepan G: Stability analysis of a two-degree-of-freedom mechanical system subject to proportional-derivative digital position control, Journal of Vibration and Control Vol. 21 pp. 1539-1555, 2015
MolnarT, Insperger T, Stepan G: State-dependent distributed-delay model of orthogonal cutting, NONLINEAR DYNAMICS, in press, pp. 1-10, 2015
Zhang L, Stepan G: Exact stability chart of an elastic beam subjected to delayed feedback, JOURNAL OF SOUND AND AND VIBRATION (2016), in press, pp. 1-14., 2016
Antali M, Stepan G: Loss of stability in a nonsmooth model of dual-point rolling, Proceedings of the 24th International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks (IAVSD 2015). Graz, 17-21 August 2015, pp. 1-10., 2015
Habib G, Miklos A, Enikov E, Stepan G, Rega G: Nonlinear model-based parameter estimation and stability analysis of an aero-pendulum subject to digital delayed control, INTERNATIONAL JOURNAL OF DYNAMICS AND CONTROL pp. online first doi: 10.1007/s40435-015-0203-0, 2015
Reith M, Bachrathy D, Stepan G: Improving stability of multi-cutter turning with detuned dynamics, MACHINIG SCIENCE AND TECHNOLOGY, accepted for publication in 2015, pp. 1-10., 2016
Reith MJ, Bachrathy D, Stepan G: Stability properties and optimization of multi-cutter turning operations, Proceedings of the ASME 2013 International Design Engineering Technical Conferences, August 4-7, 2013, Portland, Oregon, USA, article no. DETC2013-12347, pp. 1-6, 2013
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
Zelei A; Bencsik L; Kovacs LL; Stepan G: Impact models for walking and running systems - angular moment conservation versus varying geomteric constraints, Proceedings of Eccomas 2013, Zagreb, Croatia, July 1-4, 2013, pp. 47-48. ISBN: 978-953-7738-21-1, 2013
Habib G; Rega G; Stepan, G: Bifurcation analysis of a two-DoF mechanical system subject to digital position control. Part II. Effects of asymmetry and transition to chaos, NONLINEAR DYNAMICS, Vol. 74, 1223-1241, 2013
Stepan G, Munoa J, Insperger T, Suricoc M, Bachrathy D, Dombovari Z: Cylindrical milling tools: Comparative real case study for process stability, CIRP ANNALS-MANUFACTURING TECHNOLOGY Vol. 63, 385-388, 2014, 2014
Habib G, Rega G, Stepan G: Delayed digital position control of a single-DoF system and the nonlinear behavior of the act-and-wait controller, JOURNAL OF VIBRATION AND CONTROL, first published on-line on May 14, 2014, 2014
Kidd M, Stepan G: Delayed control of an elastic beam, INTERNATIONAL JOURNAL OF DYNAMICS AND CONTROL, Vol. 2, 68–76, 2014, 2014
Insperger T, Stepan G: Preface - Thematic Issue on Time-delay Systems in Engineering I & II, INTERNATIONAL JOURNAL OF DYNAMICS AND CONTROL, Vol. 2, pp. 125, 2014, 2014
Antali M, Stepan G, Hogan SJ: Kinematic oscillations of railway wheelsets, MULTIBODY SYSTEM DYNAMICS, first published on-line on June 12, 2014, 2014
Antali M, Stepan G: Nonlinear kinematic oscillations of railway wheelsets of general surface, PAMM · Proceedings of Applied Mathematics and Mechanics, Vol 14, 303 – 304, 2014, 2014
Habib G, Rega G, Stepan,: Bifurcation analysis of a two-DoF mechanical system subject to digital position control. Part I: theoretical investigation, NONLINEAR DYNAMICS, Vol. 76, 1781-1796, 2014, 2014
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
Antali M, Stepan G, Hogan SJ: Kinematic oscillations of railway wheelsets, MULTIBODY SYSTEM DYNAMICS, Vol. 34, pp. 259-274, 2015
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
Milton J, Insperger T, Stepan G: Human Balance Control: Dead Zones, Intermittency, and Micro-chaos, Mathematical Approaches to Biological Systems (Eds.: T. Ohira T, T. Uzawa), Springer, Tokyo, 2015 (ISBN 978-4-431-55443-1) pp. 1-28, 2015
Habib G, Rega G, Stepan G: Delayed digital position control of a single-DoF system and the nonlinear behavior of the act-and-wait controller, JOURNAL OF VIBRATION AND CONTROL Vol. 22 (2016) 481-495. doi: 10.1177/1077546314533583 (online first in May 2014), 2014
Reith MJ, Stepan G: Optimization of material removal rate for orthogonal cutting with vibration limits, Periodica Polytechnica, Vol 56, 91-97, 2012
Dombovari Z, Stepan G: The effect of helix angle variation on milling stability, Journal of Manufacturing Science and Engineering - Transactions of the ASME, Vol. 134 paper no. 051015 pp. 1-6, 2012
Insperger T, Milton J, Stepan G: Acceleration feedback improves balancing against reflex delay, Journal of the Royal Society Interface, Vol. 10, article no. 20120763, pp. 1-13., 2013
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
Takacs D, Stepan G: Micro-shimmy of towed structures in experimentally uncharted unstable parameter domain, Vehicle System Dynamics, Vol. 50, 1613-1630, 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
Zelei A, Bencsik L, Kovacs LL, Stepan G: Redundancy resolution of the underactuated manipulator ACROBOTER, Proceedings of 19th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics, and Control, Paris, June 12-15, pp. 233-240, 2012
Habib G; Rega G; Stepan, G: Bifurcation analysis of a two-DoF mechanical system subject to digital position control. Part II. Effects of asymmetry and transition to chaos, Nonlinear Dynamics, Vol. 74, 1223-1241, 2013
Takacs D; Stepan G: Contact patch memory of tyres leading to lateral vibrations of four-wheeled vehicles, PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY A-MATHEMATICAL PHYSICAL AND ENGINEERING SCIENCES Vol. 371, paper no. 20120427, pp. 1-16, 2013
Bachrathy D; Stepan G: Improved prediction of stability lobes with extended multi frequency solution, CIRP ANNALS-MANUFACTURING TECHNOLOGY, Vol. 62, 411-414, 2013




 

Events of the project

  
2014-03-17 10:05:40
Résztvevők változása



Back »