La simulazione dinamica dei sistemi multi-body · ADAMS : Automated Dynamic ... • Data String,...

La simulazionedinamica dei sistemi

multi-body

Daniele Catelani

La simulazione dinamica dei sistemi multi-body

� Sistema di parti meccaniche rigide / flessibili

Definizione di sistema Multi-Body

� Interconnesse da giunti rigidi / elastici

� Soggette a qualsiasi sistema di forze

� Compiono grandi spostamenti (traslaz / rotaz)

� Associabili a sistemi di controllo


� Sistema di parti meccaniche rigide / flessibili


� Interconnesse da giunti rigidi / elastici

� Soggette a qualsiasi sistema di forze

� Compiono grandi spostamenti

� Associabili a sistemi di controllo


� Dinamica descritta da equazioni differenziali


� Vincoli descritti da equazioni algebriche

� Sistema di equazioni DAE non-lineare

Risoluzione di tipo numerico

� Integratori ODE (Ordinary Differential Equations)

� Integratori DAE (Differential Algebraic Equations)


Codice per Elaborazione e risoluzione numerica dei sistemi DA E

ADAMS : Automated Dynamic Analysis of Mechanical System

� Definizione topologia (corpi,giunti,forze…)

� Definizione dati inerziali (massa,inerzia…)

� Modellazione fenomeni cinematici / dinamici

� Modellazione solida (geometria, forme,...)

� Definizione output ( measures, requests, obj …)

Impostazione Analisi Postprocessing Risultati


GENERAL PURPOSE COMPUTER PROGRAM




� Approccio Sistematico� Analisi di qualsiasi Sistema Multi-Body

� Qualsiasi campo di applicazione meccanica (generale)� Indipendente dalla specificità del problema e/o modello

SPECIAL PURPOSE COMPUTER PROGRAM

� Approccio specifico (dedicato)� Analisi di particolare (definito) sistema � Singola applicazione� Impossibilità (difficoltà) per ogni estensione a nuove problematiche



� Esigenza di analizzare sistemi complessi soggetti a grandi spostamenti (traslazioni e rotazioni) � equazioni fortemente non lineari

� Esigenza di modellare fenomeni complessi e difficilmente riproducibili� Esigenza di superare studio semplificato (linearizzazione, riduzione equazioni)� Necessità di utilizzare il Computer � sviluppo del Computer� Necessità della progettazione: riduzione costi, riduzione time-to-market,

riduzione rischi connessi alla costruzione di prototipi reali� Possibilità di applicare tecniche di ottimizzazione e Design of Experiments� Possibilità di esplorare (a rischio nullo) situazioni catastrofiche:

(esempio: ricostruzione incidenti, simulazione CRASH, ecc.)

Origine



� Permettere laSimulazione di un generico sistema Multi-Body

� Effettuare l’analisi dinamica al variare dei parametri progettuali

� Diventare Strumento di Progettazione

� Attuare la Prototipazione Virtuale

Scopo



� Studio di fattibilità� Valutazione delle prestazioni � Analisi di sensitività� Ottimizzazione

Progetto

�Confronto con risultati sperimentali Verifica e iterazione

I Problemi da RisolvereI Problemi da Risolvere� Prevedere in modo corretto il

comportamento del Prodotto già in fase di Sviluppo dello stesso per ottenere un buon Progetto “al primo colpo”

� Ridurre o eliminare prove, test e conseguenti modifiche sulla prima versione del Prodotto o sul suo Prototipo

� Incrementare il numero di test e prove effettuabili sul Prodotto durante la fase di Sviluppo a parità di costo e tempi, riducendo i rischi dovuti alla riduzione del Time-to-Market

� Ottimizzare, anche mediante tecniche automatiche, il Prodotto dal punto di vista funzionale e prestazionale

� “Visualizzare realmente” il comportamento del prodotto e le sue funzionalità

Il Processo di Sviluppo Il Processo di Sviluppo TradizionaleTradizionale ……

Lo Sviluppo con il Lo Sviluppo con il VirtualVirtualPrototypingPrototyping

con il con il VirtualVirtual PrototypingPrototyping ......

I Vantaggi : durante lo SviluppoI Vantaggi : durante lo Sviluppo

� Riduzione dei costi degli“Errori” perché questi sono“individuati” in una fasepreliminare del Processo diSviluppo

� Riduzione dei costi e deitempi delle prove e dellemesse a punto funzionali(Progettazione sul Prodotto)

I Vantaggi : durante il Ciclo di I Vantaggi : durante il Ciclo di VitaVita

Cos

ti(£

)

Tempo

INVESTMENT

PROFIT Time toProfit

Vita del Prodotto( Right to Market )

Fine Vita Prodotto

Time toMarket

Rilascio

Sales

Distribution

Design

Eval.

Mfg.

Sviluppo Prodotto

� La PrototipazioneVirtuale influiscedirettamente sulCiclo di Vita del Prodotto e sul“Right to Market” :

� Qualità

� Prezzo

� Performance

� Sicurezza

� Affidabilità

� Durata / Fatica

� Ergonomia



� 1969:Meccanismi con struttura ad albero (aperti) e bidimensionali (DRAM)� dal 1973:Strutture tridimensionali chiuse - Sparse Matrix Method; Sviluppo tecniche integrazione numerica DAE� 1977:Fondazione Mechanical Dynamics Inc. (Ann Arbor, Michigan)� 1981: Prima releaseADAMS� 1981-1991: sviluppo (modellazione corpi rigidi/flessibili, giunti, forze, ecc.)� 1991-1997:introduzione interfaccia utente (pre-post processor) e Vert. Prod.� 1997:ADAMS 9 = modulo di progettazione completa� 1998-2002: ADAMS 10-11-12 - Controls, Flex, Autoflex, Hydraulics,

Car, Rail, Engine,Aircraft, Motorsport, Motorcyle, Driveline, Driver..

� 2002-2005: MSC.ADAMS , integrazione completa con FEM,CAD,Controls� 2005-2008SimXpert New Pre-Post-Solver generation

Evoluzione

System - Focused Solutions

Product Data Management System

Traditional Component -focused CAD/CAE/CAM

System -focused Virtual Prototyping

Design - Development - Production

CAD CAE CAM

VirtualMock-up

Virtual Prototyping & Testing

Virtual Production

Traditional Component-focused CAD/CAE/CAM

CAD CAE CAMFly Through

Design Verification

DigitalAssembly

Production

Build Test Validate Optimize Automate

(MDI)

Components

Subsystems

Systems

Virtual Product Development

Discipline Integration

Marc

EASY5

ADAMS

Patran

Nastran

Virtual Product Development Environment

Dytran


� Spanish Grand Prix, May 8th, 2005� High-performance wing profiles

consistently deform under staticaerodynamic load

� Inertial effects are superimposed

� The dynamic performance of the profile is coupled to the performance of the chassis mechanicalcomponent

Auto/Truck/Bus General MachineryRail/Off-road Aero/Defense

Reaching Success in Major Industries

ADAMS Capabilities

Implementation

IntegrationCustomization Parameterization

VisualizationOptimization



� User-friendlyness Preprocessing: inserimento dati, librerie elementi, modellazione

modellazione solida, ecc. Verifica sintattica Verifica cinematica Possibilità di analisi multiple e diversificate (statiche, dinamiche,

lineari, ecc.) Postprocessing: animazione grafica, plot, tabulati, exchange-data

� Affidabilità

Requisiti (1)



� Efficienza

� Generalità di modellazione attrito e giochi nei giunti interazione ruota-rotaia interazione pneumatico-strada impatti vibrazioni sintesi di camme elementi idraulici, elettrici, pneumatici forze aerodinamiche / fluidodinamiche

Requisiti (2)



� Estendibilità utilizzo di subroutines FORTRAN, C, C++

Aggiornabilità nuovi elementi di libreria nuove procedure di calcolo nuove capacità grafiche e di postprocessing nuovi moduli dedicati nuove funzionalità (ottimizzazione, DOE, ecc.)

Requisiti (3)



� Compatibilità interfaccia con codici FEM interfaccia con CAD interfaccia con codici System Control Oriented interfaccia con User-programs

Documentazione Manuali d’uso Manuali teorici User-application reports Internet

Requisiti (4)


Data base (1)


• Rigid Body Location, Orientation, Mass, CM, Density

Material properties, Initial Velocity, Geometry

• Flexible Body Location, Orientation, Flexible Data, Damping

• Marker Location, Node Id, Orientation, type

• Constraint Joint (Revolute, Translational, Cylindrica, Planar,…)

Jprim (Inplane, Inline, Perpendicular, Orientation,…)

Gear, Coupler, Ptcv, Cvcv, Contact...


Data base (2)


• Motion Function (analytical, experimental, user)

• Force Beam, Bushing, Field, SpringDamper, Gravity,Tire…

Single Component, Vector, General Force

• Data String, Spline, State Variable, Matrix, Curve, Array,...

• Equations Differential, LSE, GSE, Transfer Function,…

• Measures Position, Velocity, Acceleration, Force, Energy,…

• Solver Dynamics, Equilibrium, Kinematic Parameters,...


Data base (3)


• Solver Function mathematical expression (sin, cos, log, exp, max, min,…)

state variables (dx,dy,dm,vx,accx,wy,…)

applied forces (fx,tz,beam,bushing,field,sforce,…)

reaction forces (joint, jprim…)

special expression (poly, step, impact, forcos,cheby,…)

interpolation (akima, cubic, linear, curve…)

user (FORTRAN, C)


Data base (4)


• View Function mathematical expression (sin, cos, log, exp, max, min,…)

modelling (dx,dy, dz,dm,ax,ay,psi,theta,yaw,…)

string

DB

Location/Orientation

Matrix

user (FORTRAN, C)

La Flessibilità nei sistemi Multi-Body

• flessibilità = requisito di progettazione

• minimizzazione del peso

• calcolo dei carichi agenti su struttura deformabile senza strumentazione

e/o prototipi fisici

• determinazione della risposta dinamica del sistema flessibile

• interazione dinamica / elasticità (aereolasticità)

Superamento della definizione di indeformabilitàdei corpi

Interfaccia completo con FEM & Experimental Data

La Flessibilità nei sistemi Multi-Body

• Flexible Body: Stiffness & Mass Matrix, Eigenvalues 6 vectors, Geometry...• 6 rigid d.o.f. + N modal d.o.f.• Modal Analysis : reduced number of d.o.f.• Component Mode Synthesis: Normal + Static Modal Analysis• Variable Boundary Conditions• Dynamics Elasticity

• Non linear Rigid motions + Linear (Elastic) deformation• Carichi distribuiti su corpi flessibili (MFORCE)• calcolo stress e deformazioni

Product Modules

� ADAMS Full Simulation

� ADAMS/Controls

� ADAMS/Flex

� ADAMS/Autoflex

� ADAMS/Durability

� ADAMS/Linear

� ADAMS/Exchange

� ADAMS/Vibration

� …….

� ADAMS/Car

� ADAMS/Aircraft

� ADAMS/Engine

� ADAMS/Rail

� ADAMS/Driveline

Vertical Products

Toolkit

� ADAMS/Motorsport

� ADAMS/Motorcycle

ADAMS/Flex

ADAMS/Durability

ADAMS/Car (1)

ADAMS/Car (2)

ADAMS/Motorsport

ADAMS/Motorcycle

ADAMS/Engine

ADAMS/Rail

ADAMS/Aircraft

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