< Terug naar vorige pagina

Project

Systeemniveausimulatie van aandrijflijnen gebruikmakend van geavanceerde tandcontacttechnieken

In de afgelopen jaren heeft de maakindustrie significante ontwikkelingen doorgemaakt onder invloed van technologische vooruitgang en het toegenomen streven naar duurzame ontwikkeling. De spectaculaire stijging van digitale rekenkracht heeft ervoor gezorgd dat numerieke modellering en simulatie een wijdverbreide oplossing is geworden voor tal van hedendaagse ingenieursproblemen. Numerieke modellering vergemakkelijkt ontwerpvalidatie in een vroeg stadium van de levenscyclus van een nieuw product, en laat toe om verschillende ontwerpconfiguraties uit te testen in een virtuele omgeving. Dit resulteert in kortere doorlooptijden en goedkopere oplossingen. Tezelfdertijd legt het toegenomen milieubewustzijn strengere eisen op aan deze nieuwe producten. Lichtgewicht ontwerpen en lichtere materialen stellen ingenieurs in staat om de ecologische voetafdruk van moderne machines aanzienlijk te verkleinen, zonder afbreuk te doen aan hun functionaliteit en performantie. Echter leiden deze lichtgewicht structuren tot nieuwe uitdagingen bij het ontwikkelen van numerieke methoden die toelaten het dynamische gedrag van deze structuren op een nauwkeurige en efficiënte manier te voorspellen. Een voorbeeld van deze tendens is te zien in het ontwerp van tandwieloverbrengingen, waarin lichtgewicht structuren en andere toegespitste oplossingen gebruikt worden om het trillingsgedrag van tandwielen te optimaliseren. Echter verliezen de analytische modellen die vandaag de dag gebruikt worden voor de analyse van tandwieloverbrengingen hun geldigheid wanneer ze geconfronteerd worden met de veelheid van productieparameters die het moderne tandwielontwerp kenmerken. De aannames waarop deze modellen gebaseerd zijn laten typisch niet toe de invloed van materiaaluitsparingen en tandprofielmodificaties op nauwkeurige wijze in rekening te brengen. Meer geavanceerde modelleringsmethoden zoals de eindige-elementenmethode of de flexibele-meerlichamenmethode bieden hiertoe de benodigde nauwkeurigheid, maar leiden dikwijls tot ongeoorloofd hoge rekentijden, in het bijzonder in het geval van dynamische analyses. De hoge rekenkost van deze methoden wordt enerzijds veroorzaakt door het grote aantal vrijheidsgraden in de numerieke modellen, aangezien fijne discretisaties nodig zijn ter hoogte van de tijdsafhankelijke contactoppervlakken, en anderzijds door de hoge kost van de contactkrachtberekening. 

Het doel van deze dissertatie is oplossingen aan te bieden die toelaten dynamische (lichtgewicht) andwielproblemen te simuleren op een effectieve manier, zonder in te boeten op nauwkeurigheid. Hiertoe worden drie methodes voorgesteld. Ten eerste wordt een methode ontwikkeld die gebaseerd is op moderne modelreductietechnieken voor contactproblemen. De nieuwigheid van de methode bestaat uit een combinatie van een semi-analytisch contactmodel met een modelreductieschema dat de rekenkost van een onderliggend eindigeelementenmodel reduceert.

De tweede methode breidt de hogergenoemde methode uit door de reductiebasis te parameterizeren in functie van de rotatiehoek van het beschouwde tandwielpaar. 

Ten slotte werd een nieuwe beschrijving van de tandwielpaarstijfheid bekomen op basis van de hoger beschreven numerieke modellen, voor gebruik in analytische tandcontactmodellen. In een eerste stap wordt een reeks (gereduceerde) eindige-elementenanalyses uitgevoerd op basis waarvan een stijfheidstabel opgesteld wordt. Deze tabel laat vervolgens toe om via numerieke interpolatie de feitelijke tandwielpaarstijfheid te bekomen op elk willekeurig moment tijdens een dynamische tandcontactanalyse.

De simulatieresultaten die bekomen werden met de verschillende modellen worden vergeleken met experimentele resultaten en bewijzen dat de voorgestelde methoden toelaten om met grote nauwkeurigheid kwantitatief relevant gedrag te voorspellen, waaronder de transmissiefout bij verschillende belastingsniveaus. De verdiensten van de verschillende modellen worden voorts geëvalueerd door verschillende dynamische tandwielproblemen te analyseren en te identificeren welke methode de meest geschikte is om bepaalde transmissiefenomenen te simuleren. In deze laatste oefening worden ook resultaten toegevoegd die bekomen werden met behulp van het softwarepakket Siemens LMS Virtual.Lab Motion, aangezien de nieuwe tandwielmodelleertechnieken in deze software in samenwerking met de auteur van dit manuscript ontwikkeld werden. Samenvattend stelt deze dissertatie niet alleen drie nieuwe modelleringstechnieken voor die toelaten om dynamische (lichtgewicht) tandcontactproblemen op een
efficiënte en nauwkeurige manier te simuleren, maar ook effende dit werk het pad naar nieuwe ontwikkelingen in het veld van gesmeerde contactproblemen, zoals toegelicht aan het einde van deze dissertatie.

Datum:8 dec 2014  →  28 jan 2019
Trefwoorden:contact mechanics, Multibody dynamics, model order reduction
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project