Mérnöki méréstechnikai módszerek fejlesztése a nemlineáris mechanikai viselkedések azonosítására  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
108779
típus PD
Vezető kutató Dombóvári Zoltán
magyar cím Mérnöki méréstechnikai módszerek fejlesztése a nemlineáris mechanikai viselkedések azonosítására
Angol cím Development of engineering measurement methodologies for identification of nonlinear mechanical effects
magyar kulcsszavak dinamika, nemlineáris, nemsima, rezonancia, marás, csillapítás
angol kulcsszavak dynamics, nonlinear, nonsmooth, resonance, milling, damping
megadott besorolás
Műszaki Mechanika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)85 %
Matematika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)15 %
Ortelius tudományág: Műszaki matematika
zsűri Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki
Kutatóhely Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
projekt kezdete 2013-09-01
projekt vége 2017-08-31
aktuális összeg (MFt) 6.957
FTE (kutatóév egyenérték) 2.80
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Nemlineáris hatások következtében egyes mechanikai rendszerek nehezen megjósolható módon viselkedhetnek. Megbízható dinamikai modellek megalkotása során sokszor elkerülhetetlen a valós rendszer kísérleti vizsgálata. Azonban lineáris rendszerekre kifejlesztett mérési eljárások gyakran alkalmatlanok nemlineáris rendszerek vizsgálatára. A projekt legfőbb célja, olyan eljárások fejlesztése, melyek segítik a nemlineáris mechanikai rendszerek modellezését. Ez a kutatás nagyban kapcsolódik szerszámgépek dinamikai modellezéséhez, azonban az eredmények más mechanikai rendszerekre is alkalmazhatóak lesznek.
A kutatás első részében olyan tesztberendezés építése a cél, mely reprodukálható módon alkalmas a nemlineáris strukturális tulajdonságok meghatározására. Különböző szabályozott gerjesztési eljárások tesztelhetőek, melynek segítségével a szerkezet nemlineáris "válasza" meghatározható. Egy, a nemlineáris szerkezetek esetén is alkalmazható módszertan megalkotása a cél, melynek használatával a modális tulajdonságok és maga a nemlinearitás mértéke is meghatározható.
A project másik része a nemlineáris forgácsoló erő marási eljárásra gyakorolt hatásával foglalkozik. Ezt a részét a kutatásnak az IK4-Ideko közreműködésével végezzük el. Itt a legfőbb cél egy olyan elméleti eljárás kifejlesztése, mely alkalmas az ún. bistabil zóna meghatározására. A modellt olyan alkalmasan megtervezett méréssel validáljuk, mely nem csak a bistabil zóna méretét, hanem annak külső gerjesztésre való érzékenységét is megadja. Ehhez a méréshez egy olyan főorsót fogunk használni, mely rendelkezik beépített gerjesztővel, így bármilyen előre meghatározott jellel képes gerjeszteni a rendszert.

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.

A kutatás mérési eljárások kidolgozására tesz kísérletet, mellyel nemlineáris tulajdonsággal rendelkező - különösen a szerszámgépiparral kapcsolatos - mechanikai rendszerek dinamikai modellezését teszi lehetővé. Strukturális nemlinearitásokkal kapcsolatban a mérés során alkalmazott szabályozott gerjesztőjel típusa a kérdés, azaz, hogyan lehet a lehető legegyszerűbben és a leghatékonyabban meghatározni az ilyen rendszerek modális és nemlinearitással kapcsolatos paramétereit? A kutatás marási eljárások során fellépő bistabil tartomány elméleti vizsgálata alapján tervezett speciális mérési eljárás kidolgozására is kísérletet tesz. A kérdés az, hogy milyen paraméterek befolyásolják a veszélyes bistabil tartományt, és hogyan lehet empirikusan, hatékonyan meghatározni azt? Ennek a tartománynak külső behatásokkal szembeni érzékenysége is fontos kérdés.

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 legfőbb jelentősége abban rejlik, hogy megpróbálja leküzdeni a mérnöki gyakorlatban alkalmazott mérési eljárások nemlineáris dinamikai hatásokkal kapcsolatos hiányosságait. Szerszámgépek használatakor felmerülő problémákat alapul véve, a projekt az úgynevezett nemlineáris modális analízis módszereit próbálja fejleszteni és kibővíteni, melyhez a nemlineáris dinamikában elfogadott matematikai elméleteket veszi alapul. Továbbá, a kutatás foglalkozik még a forgácsolási folyamatból származó nemlineáris forgácsoló erő hatásával is. Fél-analitikus matematika módszer kerül kifejlesztésre marás esetére, mellyel követhető a veszélyes bistabil tartomány, ahol a lineárisan stabilnak tervezett forgácsolási eljárás érzékeny külső mechanikai gerjesztésekre. Ezen felül, az elméleti módszer mérésekkel kerül megerősítésre. Tehát nem csak a számítási eljárás, hanem a veszélyes bistabil tartomány mérésének módszerei is meghatározásra kerülnek.
Mint legfőbb jelentősége a kutatásnak, a projekt keretein belül, egy a mérnöki gyakorlatban alkalmazható módszer kerül meghatározásra nemlineáris strukturális tulajdonságok vizsgálatára. Illetve, nemlineáris hatásoknak kitett marási eljárások stabilitásának határozatlanságát is megvizsgáljuk. A szerkezeti tulajdonságok ilyenfajta vizsgálata fontos lehet a repülő-, autó- és például a szélenergia-ipar számára, ahol mind nagyobb tömegben alkalmaznak polimer kompozitokat, melyek általában csökkentik a költségeket, illetve könnyítik a szerkezeteket, azonban teszik mindezt a könnyen kezelhető mechanikai modellezés kárára. Az marási eljárások vizsgálata a szerszámgép iparban felmerülő forgácsolási folyamatok előtervezésében segíthet, hirtelen paraméter változásokra való érzékenység tervezhetőségében.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Gépek dinamikai tulajdonságainak előrejelzése meglehetősen fontos bizonyos biztonsági, gazdasági és működési követelmények betartása miatt. A könnyen elérhető nagy számítási kapacitás hatékony eszközt biztosít a mérnökök számára. Azonban gyakran modellezési hiányosságok miatt, ezek a számítások nem képesek a valós viselkedés előrejelzésére. Ekkor a modellezési problémák kikerülésére méréssel meghatározott ún. empirikus modellek megalkotása, illetve ezek vegyítése elméleti modellekkel a cél. Az ún. nemlineáris tulajdonságok tovább bonyolítják a modellalkotást, mivel a mérnöki gyakorlatban alkalmazott eljárások lineáris - relatíve könnyen használható - elméletekre épülnek. A legfőbb célkitűzés, olyan - a szerszámgép iparhoz szorosan kapcsolódó - mérési eljárások fejlesztése, melyek figyelembe veszik a nemlineáris rendszerek sajátosságait. Egy nemlineáris szerkezeti tulajdonságokkal rendelkező tesztberendezés kerül megépítésre a megfelelő szenzorok beépítésével, melyen elvégezhetőek ¬- reprodukálható módon - a nemlineáris dinamika alapján tervezett mérések. A projekt az IK4-Ideko közreműködésével a nemlineáris forgácsoló erő marási eljárásokra gyakorolt elméleti és méréstechnikai szempontból fontos hatásaival is foglalkozik. A legfontosabb feladat a forgácsolás nemlineáris tulajdonsága által okozott veszélyes zóna elméleti, illetve kísérleti meghatározása. Ezen tulajdonságok vizsgálata fontos, hiszen meglehetősen drága szerszámgépek gyakran szintén drága munkadarabokat forgácsolnak pl. a repülőgépipar számára. Ha a rendszer elveszíti a stabilitását, rezgésbe kezd, mellyel veszélyezteti a kívánt pontosságot, a munkadarabot és a szerszámgépet is.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The nonlinear nature of vibrating structures can cause unpredicted sudden changes and can lead to structural failures. Many cases, empirical testing is unavoidable to build reasonable mechanical models of dynamic systems. Experimental techniques, that are effective related to linear structures are usually fail or introduce unwanted uncertainties on the parameters being in question. The aim of this project is to improve the existing experimental techniques related to nonlinear structures. This work is closely connected to the machine tool industry, but the results generally valid for many different mechanical systems.
In the first part, a test-rig will be built that allows to perform measurements in reproducible way related to nonlinear dynamic analysis. Different controlled excitation procedures can be carried out with which the nonlinear response of the system can be determined. As a main result, a methodology will be created how to measure the modal and nonlinear parameters of mechanical systems.
The second part of the project deals with operation-induced nonlinear behaviour, more specifically, the effect of the nonlinear cutting force characteristics on milling operations. This is going to be a collaborative work with IK4-Ideko company. The major aim is to develop a method to predict the unsafe zone, which causes uncertainty in milling stability predictions. The model will be validated by milling measurements in which not only the size of the unsafe zone, but its sensitivity for external excitations will be determined. For these measurements a special spindle head will be used that contains built-in shaker, which can introduce the desired excitations.

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.

The proposed project can result in adequate methods to measure structural and
operation-induced nonlinearities, especially related to machining industry. In terms of structural nonlinearities, the type of the controlled excitation is in question, how to extract modal and nonlinear parameters in fast and in efficient way. Secondly, a method to predict the unsafe parameter zone will be validated using specially planned milling operations. The question is, what is the behaviour of this unsafe parameter zone and how to determine this using empirical techniques. It is also an important question, what is the sensitivity of the machining operation in this unsafe parameter zone.

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.

This project tries to overcome the problems in the experimental field of engineering related to nonlinear dynamics. Considering problems from the machining industry, techniques in the so-called nonlinear modal analysis are intended to be improved and extended based on strict applied mathematical theories. Besides, the second part of the project is focused on the effects caused by the nonlinear cutting force characteristics originated from the cutting process. A semi-analytical technique will be developed to track the unsafe parameter zone in which the linearly stable process is sensitive for external perturbations. On top of that, this calculation will be validated by measurements. Consequently, not only the prediction technique, but the methodology for the experiments will be given at the end of this project.
As a significance, this research will give tools for the engineers to characterise nonlinear structural behaviour and to predict the uncertainty of milling process stability subjected to nonlinear effects. The structural part can be useful for aviation, car and for wind power industries, where the usage of polymer based composite materials generally decrease cost and weight but also pushes farther the mechanical systems from the 'easy-to-handle' linear engineering world. The part based on milling process, in turn, helps the machining industry to plan the process sensitivity against sudden changes on technological parameters.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

It is important to predict the dynamic behaviour of machines in certain conditions to satisfy safety, economical and operational conditions. Nowadays, simulation techniques give rich tools in the hand of engineers. However, these calculations are not all-powerful in every conditions often due to modelling problems. The usual way to overcome insufficiency of theoretical modelling is to identify parameters using measurement techniques in the real machine or in special test environment. Possible so-called nonlinear behaviours of machine structures and processes make modelling even more difficult, since most of the measurement techniques, in engineering, based on linear, relatively 'easy-to-handle' theories. The main aim of this project is to develop new and improve the existing measurement techniques related to nonlinear dynamic behaviour of machines connected to machining industry. On the one hand, a test-rig, with structural nonlinearity, will be built with necessary sensors to test measurement techniques based on the theories of nonlinear dynamics. On the other hand, with the collaboration of IK4-Ideko (Spain), the effect of nonlinear cutting force on milling operation will be investigated from theoretical and from experimental point of view. Here, the main goal is to predict the uncertainty on the milling stability predictions introduced by the nonlinear characteristics of the cutting force. The prediction of this effect is important because expensive machines manufacture often expensive parts e.g. for aviation industry. If the operation loses the stability it starts vibrating wildly, the quality decreases drastically and the machine and the workpiece are in danger.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt az eredeti célkitűzét teljesíti, miszerint új dinamikai mérési irányelveket fogalmaz meg fémforgácsolás műveletére. A projekt fontos fejlesztéseket és eljárásokat támogatott, melyek ténylegesen elősegíthetik szerszámgépek dinamikai karakterizációját. Elsőként a projekt előzetes kutatásokat folytatott le általános geometriájú szerszámmal végzett marási folyamatok modellezésében. A projekt keretein belül kifejlesztésre került egy hatékony eljárás a karakterisztikus multiplikátorok meghatározására szemi-diszkretizáció segítségével. A projekt kidolgozott egy módszert a frekvencia-átviteli függvények közvetlen felhasználását időtartományban felírt rendszerekre. A projekt kifejlesztette az első nemsima dinamikai marási modellt az él átrepülésének vizsgálatára. A projekt bemutat egy működés-közbeni módszert a maró szerszámgép látszólagos dinamikai tulajdonságának mérésére. A projekt támogatott egy hatékony eljárás kifejlesztését, mely a periódusduplázódás típusú stabilitásvesztéshez tartozó stabilitási határokat határozza meg. Bemutat egy újszerű modális analízisben felhasználható technikát, mely elősegítheti nemlineáris strukturális merevséggel rendelkező mechanikai rendszerek megelőző vizsgálatát. Kollaborációként fémhabok dinamikai vizsgálatát lehet felmutatni, míg a vezető kutató jövőbeni kutatásait meghatározó projektkezdeményeket is indított változó szögleosztású marószerszámok optimalizációjaként, illetve a marási folyamatok lassú/gyors dinamikai felírásával.
kutatási eredmények (angolul)
The project satisfies the original goals, namely, to develop effective tools and roadmaps performing dynamic measurements related to manufacturing processes. The project has created important developments and methods that can really facilitate dynamic characterizations of machine tools. First of all, the project has presented the relevance of linear stability calculations for milling cutters with general geometry. The project has introduced a novel numerical technique to calculate eigenvalues of the Floquet transition matrix even for large frequency ration. It showed how to include frequency response functions directly in time domain based methods. The project presented the very first nonsmooth milling model for fly-over effect. It presented an operational modal analysis technique using the cutting force during milling operation. The project founded research on effective calculation of period doubling stability limits. It presented a novel structural modal analysis technique that can be used for preliminary measurement of nonlinear structures. The project founded some collaboration related to metal foam production. Also as open questions it started seed projects on variable pitch tuning and slow fast dynamics of milling operation.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108779
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
: On the Stability Calculation of Milling Processes Based on Frequency Response Functions, Calgary: , 2014
Mikel Zatarain, Zoltán Dombóvári: Stability analysis of milling with irregular pitch tools by the implicit subspace iteration method, INT J DYN CONTROL 2: (1) 26-34, 2014
Stepan Gabor, Munoa Jokin, Insperger Tamas, Suricoc Michele, Bachrathy Daniel, Dombovari Zoltan: Cylindrical milling tools: Comparative real case study for process stability, CIRP ANN-MANUF TECHN 63: (1) 385-388, 2014
Dombovari Zoltan, Stepan Gabor: On the bistable zone of milling processes, PHILOS TRANS - R SOC A 373: (2051) 20140409, 2015
Yusuf Altintas (szerk.): Tuneable mass dampers with variable stiffness for chatter suppression, Vancouver: CIRP, 1 p. 4th International Conference on Virtual Machining Process Technology, 2015
Iglesias, A., Munoa, J., Raminez, C., Ciurana, J., Dombovari, Z.,: FRF Estimation through Sweep Milling Force Excitation, Procedia CIRP, 2016
Iglesias, A., Munoa, J., Ciurana, J., Dombovari, Z., Stepan, G.,: Analytical expressions for chatter analysis in milling operations with one dominant mode, Journal of Sound and Vibration, 2016
Dombovari, Z.: Dominant Modal Decomposition Method, Journal of Sound and Vibration (under revision), 2016
Munoa, J., Iglesias, A., Olarra, A., Dombovari, Z., Zatarain, M., Stepan, G.,: Design of self-tuneable mass damper for modular fixturing systems, CIRP Annals - Manufacturing Technolog, 2016
Dombóvári Zoltán: Dominant Modal Decomposition Method, J SOUND VIB 392: 56-69, 2016
Jokin Munoa, Alex Iglesias, Aitor Olarra, Zoltan Dombovari, Mikel Zatarain, Gabor Stepan: Design of self-tuneable mass damper for modular fixturing systems, CIRP ANN-MANUF TECHN 65: (1) 389-392, 2016
Dombovari Zoltan, Stepan Gabor: On the bistable zone of milling processes, PHILOS TRANS - R SOC A 373: (2051), 2015




vissza »