Érintkező és súrlódó mechanikai rendszerek stabilitásvizsgálata
Title in English
Stability analysis of mechanical systems with contact and friction
Keywords in Hungarian
dinamika ütközés súrlódás stabilitás
Keywords in English
dynamics impact friction stability
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Mechanics, Materials and Structures (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Baranyai, Tamás Köhserli, Mehmet Sipos, András Árpád Ther, Tamás
Starting date
2017-09-01
Closing date
2022-08-31
Funding (in million HUF)
21.927
FTE (full time equivalent)
5.25
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatási projektben egyoldali támaszokkal rendelkező, és súrlódásnak kitett mechanikai rendszerek dinamikáját és stabilitási kérdéseit vizsgáljuk. Az érintkezési kölcsönhatások egyszerű fizikai modelljeinek segítségével a rendszerek szakaszonként sima, hibrid dinamikai rendszerként írhatóak le. Célunk ezek viselkedésének jobb megértése, valamint az eredmények alkalmazása mérnöki és biológiai területen. A kutatás nagyobb részében pontszerű támaszokkal rendelkező, merev elemekből álló rendszereket vizsgálunk. Egyszerűségük ellenére ezek a rendszerek komplex viselkedést mutatnak, és emiatt olyan alapkérdésekre keressük a válasz, mint hogy hogyan állapítható meg az egyensúlyi helyzeteik lokális Lyapunov stabilitása. A lokális vizsgálatok mellett nagy zavarások hatását is vizsgáljuk, és az ezzel kapcsolatos elméleti eredményeket alkalmazzuk billegő szerkezetek földrengésekkel szembeni stabilitásának javítására. A projekt kisebb részben kiterjed rugalmas deformációkra képes rendszerek analízisére is. Ezeknél a súrlódás hatására bekövetkező speciális rugalmas stabilitásvesztési formák megértése és elkerülése áll a vizsgálatok középpontjában.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Ha egy érintkezési kölcsönhatásoknak kitett mechanikai rendszerben az érintkezési és súrlódási erőket egyszerű modellek segítségével közelítjük, a rendszer akkor is komplex viselkedést mutathat. A kutatás alapkérdése az, hogy egy ilyen komplex viselkedés számunkra fontos tulajdonságai megjósolhatóak-e egyszerű vizsgálatokkal. Megvizsgáljuk, hogyan állapítható meg egy egyensúlyiban lévő rendszerről, hogy a robotikai alkalmazásokban rendszerint megkívánt Lyapunov stabilitással rendelkezik-e, illetve, hogy egy földrengéseknek kitett billegő szerkezet esetén hogyan kerülhető el a szerkezet stabilitásvesztése. Emellett karcsú, rugalmas, növekedő szálak esetén keressük azokat a kialakítási módokat, amelyek mellett a szál végpontjai a lehető legtávolabbra tudnak eljutni egymástól a súrlódást legyőzve.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatás során elsősorban elméleti mechanikai eredmények mérnöki, és kisebb részben biológiai alkalmazási lehetőségeit vizsgáljuk, illetve a gyakorlati alkalmazások számára hasznos stabilitási kritériumokat állítunk elő. Valamennyi kutatási feladat segíti hatékony és megbízhatóan működő robotikai, építőmérnöki vagy űrkutatási rendszerek létrehozását. Az eredményeink hozzájárulnak ahhoz, hogy kis súlyú, de nagy hatótávolságú manipulátorokat lehessen építeni (robotikai és űrkutatási célokra), illetve ahhoz, hogy mozgó robotok a felborulás veszélyét el tudják kerülni. Emellett az újonnan kidolgozott módszereink segítségével megakadályozható földrengéseknek kitett szerkezetek eldőlése is. A mérnöki hasznosítás mellett a rugalmas szálakkal kapcsolatos biológiai kutatások reményeink szerint korábban nem ismert kapcsolatra fognak rámutatni egyes élőlények fonalas szerkezeteinek működése és a működésnek határokat szabó fizikai törvényszerűségek között is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Gépek, robotok és más mérnöki rendszerek működése során gyakori probléma, hogy a rendszer egymással fizikai érintkezésben lévő elemei nem az elvárt módon viselkednek. Ezeknek a gyakran szerkezeti károsodásokhoz vagy működési zavarokhoz is vezető jelenségeknek (pl. zaj, rezgések, ütközések, váratlan elmozdulás, vagy felborulás) a hátterében az érintkezési kölcsönhatások összetettsége áll. A kutatási projekt célja a váratlan stabilitásvesztések megértése, leírása, bekövetkeztének megjósolása, illetve olyan tervezési módszerek kidolgozása, melyekkel elkerülhetőek. A stabilitásvesztés központi kérdés a földrengésvédelem és a robotika területén is. A mérnöki kérdések mellett mellett kisebb részben biológiai rendszerek hasonló problémájával is foglalkozunk: azt vizsgáljuk, hogy a karcsú, hajlékony gyökerekkel rendelkező növények hogyan alkalmazkodtak a mechanika törvényeihez, hogy ezáltal a velük érintkező közeg ellenállását legyőzve hatékonyan érjenek el távoli erőforrásokat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. We propose to examine the dynamics and the stability of mechanical systems with unilateral contacts and friction. Simple models of contact interaction give rise to piecewise smooth, hybrid dynamical systems. Our goal is to better understand the behavior of these systems, and to apply this knowledge to biological and engineering problems. The majority of the research concerns systems composed of rigid elements with point contacts. Despite the simplicity of this approach, such systems exhibit complex dynamics, which motivates us to investigate fundamental questions, such as the local Lyapunov stability characterization of an equilibrium state. We also investigate the response of such systems to large perturbations, and related theoretical results are used to improve the earthquake resistance of rocking structures. A smaller portion of the project extends to systems capable of elastic deformations. Here, our works focuses on understanding and avoiding special forms of destabilization due to the interaction of friction and elasticity.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. If the contact and frictional forces of a mechanical system are estimated by simple models, the overall behavior of the system often remains surprisingly complex. The primary question of this project is if and how important aspects of the complex behavior can be predicted based on the results of simple tests. We work out new methods to predict if an equilibrium state of a given system possesses Lyapunov stability, as required in many robotics applications and also to avoid destabilization of a structure subject to earthquakes. In addition we identify design rules of elastic, slender and growing filaments detained by friction, which enables their endpoints to travel as far from each other as possible.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The proposed work focuses mainly on engineering and biological applications of theoretical results in contact mechanics, as well as on the construction of stability criteria, which are useful for practical applications. All of the expected results promote the synthesis of efficient and reliable systems in robotics, space research and structural engineering. Our results will assist engineers in designing lightweight manipulators with large radii of action (as often required in space exploration and robotics) or moving robots that avoid toppling. Our investigations will also uncover new methods to prevent the turnover of rocking structures during earthquakes. In addition to engineering application, we expect that our work focusing on elastic filaments in biological systems will uncover a new link between the growth of these structure and the constraints given by the underlying physical rules.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. It is a common problem of machines, robots and other engineering systems that components in physical contact which each other behave unexpectedly. Common disturbing phenomena (like noise, vibration, impacts, sudden motion or tip-over) often leading to structural damage or malfunction are caused by complex phenomena arising during contact interactions. The goal of this project is to better understand, describe and predict unexpected loss of stability in systems with contact as well as to develop design methods, which help us to avoid them. Loss of stability is a central issue in earthquake protection and in robotics. In addition to the engineering focus, we also address a closely related problem of biological systems: we examine how plants with slender, elastic roots have adapted to mechanical constraints in order to reach distant resources despite the resistance of the environment in contact with them.
Final report
Results in Hungarian
Az érintkezési, súrlódási és ütközési kölcsönhatásoknak kitett rendszerek rendkívül összetett viselkedést mutatnak. Olyan alapkérdésekkel kapcsolatban sem ismerjük a teljes választ, hogy egy egyensúlyi helyzet kis zavaró hatásokkal szemben ellenálló-e. A kutatás során az egyensúlyok Lyapunov stabilitásának vizsgálatára dolgoztunk ki új módszereket, melyek a robotikában közvetlenül hasznosíthatóak. Ezután nagymértékű zavarásoknak (pl. billegő szerkezetre ható földrengés, eszköz elejtése) kitett rendszerek viselkedését vizsgáltuk, ahol a létrejövő mozgás jellege szabja meg az adott rendszer biztonságát. Olyan módszereket dolgoztunk ki, melyekkel a kiszámíthatatlan mozgás számunkra fontos jellemzői megjósolhatóvá válnak, ami fontos eszközt ad a tervezőmérnök kezébe. Végül munkánkban megvizsgáltuk azt is, mi történik ha a fentieken túl a rendszer belső alakváltozási is jelentősek. Új típusú rugalmas stabilitásvesztési módokat írtunk le, melyek megszabják egy puha robotkar teljesítményének elméleti korlátait, illetve rámutattunk az érintkezési kölcsönhatások jelentőségére. Végül pedig bemutattuk, hogy az általunk vizsgált mechanikai jelenségekhez való alkalmazkodás a növényi gyökereken is megfigyelhető.
Results in English
Systems subject to contact, friction and collision interactions exhibit highly complex behavior. We do not know the full answer to some fundamental questions: for example if an equilibrium state is stable against small perturbations or not. In this research, we have developed new methods to investigate the Lyapunov stability of equilibria, which is directly applicable to robotics problems. We then investigated the behavior of systems subject to large perturbations (e.g. earthquake under a rocking structure, dropping of an electronic device), where the nature of the resulting motion determines the safety of the system. New methods have been developed to predict those characteristics of highly unpredictable motion that are important to us, providing an important tool for the design engineer. Finally, we have also examined what happens when, in addition to the factors mentioned above, the internal deformations of the system are significant. We have described new types of the loss of elastic stability, which impose theoretical limits on the performance of a soft robotic manipulators. We also pointed out the importance of contact interactions. Finally, we showed that adaptation to the mechanical phenomena investigated in this project can also be observed in plant roots.
PL Varkonyi, M Antali: On Differential Equations with Codimension-n Discontinuity Sets, SIAM Journal on Applied Dynamical Systems 20 (3), 1348-1381, 2021
Y Or, PL Várkonyi: Experimental Verification of Stability Theory for a Planar Rigid Body With Two Unilateral Frictional Contacts, IEEE Transactions on Robotics, in press, 2022
PL Várkonyi, T Ther, M Kocsis: Rigid Impacts of Three-dimensional Rocking Structures, Nonlinear Dynamics 107 (3), 1839-1858, 2022
Y Or, PL Várkonyi: Experimental Verification of Stability Theory for a Planar Rigid Body With Two Unilateral Frictional Contacts, IEEE Transactions on Robotics 37 (5), 1634-1648, 2022
AÁ Sipos, PL Várkonyi: Kezdeti görbülettel rendelkező konzol legnagyobb kinyúlása, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia - Az előadások összefoglalói, pp. 103, 2019
PL Várkonyi: A csúszó bot szingularitása: elmélet és valóság, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia - Az előadások összefoglalói, pp. 122, 2019
AÁ Sipos, PL Várkonyi: The longest soft robotic arm, International Journal of Non-Linear Mechanics 119, 103354, 2020
M Köhserli, PL Varkonyi: The effect of connecting bridges on vortex-induced vibration of skyscrapers, Architecture and Architectonics (Epites- es epiteszettudomany), in press, 2022
M Köhserli, PL Varkonyi: Vibration of structurally connected high-rise buildings under wind force., Proc. IABSE Congress Ghent, 2021 - Structural Engineering for Future Societal Needs (22-24 Sept. 2021), 2021
PL Várkonyi, T Ther, M Kocsis: Rigid Impacts of Three-dimensional Rocking Structures, Nonlinear Dynamics, in press, 2022
M Köhserli, PL Varkonyi: The effect of connecting bridges on vortex-induced vibration of skyscrapers, Architecture and Architectonics (Epites- es epiteszettudomany) 50 (1-2), 1-16, 2022
