Трение в шарнирах

Методы и подходы к моделированию динамики систем тел, построение расчетных схем

Трение в шарнирах

Сообщение Тимофей Ецков » 11 авг 2015, 00:26

По справочнику, момент трения в подшипнике рассчитывается как произведение нагрузки на подшипник (силы реакции) на приведённый коэффициент трения и на радиус вала.

В существующей модели токоприёмника в UM Input рассчитанное по этой формуле значение момента трения введено в шарнирной силе типа "фрикционный".

Однако сила реакции в шарнирах меняется в зависимости от высоты подъёма токоприёмника и настроек параметризованных длин звеньев и углов между ними. Следовательно, меняется и сила трения

Вопросы:
1) Насколько я понял, тип шарнирной силы "фрикционный" не позволяет автоматически рассчитывать силу трения в зависимости от этих параметров?
2) Каким образом можно подставить в расчёт шарнирной силы силу реакции в шарнире в текущий момент времени (т.е. на текущей итерации)?

Я вижу решение второго вопроса только в расчёте шарнирной силы по внешней функции, но в руководстве пользователя пока не нашёл, как определять силу реакции в шарнире.

P.S.: Также я пробовал заменить вращательные шарниры на контактные взаимодействия, но даже при одной такой замене UM Simulation выдаёт ошибку на середине расчёта, а при двух - вообще не считает.
Тимофей Ецков
 
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 16 авг 2014, 21:54

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Roman Kovalev » 11 авг 2015, 12:21

Тимофей,

Действительно, простого решения для Вашей проблемы нет. В УМ сейчас невозможно описать фрикционный момент во вращательном шарнире, который бы зависел от величины силы реакции в шарнире.

Отвечая на Ваши вопросы могу сказать следующее.
1. Действительно, тип шарнирной силы "фрикционный" не позволяет автоматически рассчитывать силу как функцию внешних факторов.
2. На текущей итерации значение силы реакции в шарнире никак нельзя подставить в расчет шарнирной силы.

Тем не менее, есть несколько возможных подходов к решению этой задачи.

A. Во-первых, можно оценить среднее значение сил реакции в шарнире и добавить в шарнир фрикционный момент, рассчитанный по среднему значению силы реакции. В первом приближении этого, считаю, будет достаточно.

B. С запаздыванием на один шаг интегрирования это можно сделать с помощью внешних библиотек, например, "Редактора схем", см. http://www.universalmechanism.com/plugi ... ?id=9#BlEd. На вход схеме нужно будет подавать силу реакции в шарнире (ну и угловую скорость для определения знака), а с выхода снимать фрикционный момент, который нужно будет подавать в модель с помощь шарнирной силы типа "Выражение".

C. Можно попробовать использовать контактные силы. Не 3D контакт, а контактные силы типа "Сфера-сфера" или "Окружность-Цилиндр". Там силы и моменты трения уже будут считать так, как Вам нужно именно на текущем шаге. Но заплатить за это придется увеличением "жесткости" уравнений движения и отклонением шарнирной точки от идеального положение в силу податливой модели контакта.

С уважением,
Роман
Аватара пользователя
Roman Kovalev
UM Team
 
Сообщения: 69
Зарегистрирован: 30 янв 2014, 18:46
Откуда: Брянск, Россия

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Тимофей Ецков » 12 авг 2015, 22:49

A - в принципе, так и планировал для первого приближения. Но если окажется, что размеры звеньев оказывают существенное влияние на реакции в шарнирах, это не пойдёт.

В - попробую, спасибо за идею!

С - именно так я и делал - заменял вращательный шарнир на шарнир "6 степеней свободы" и добавлял контактное взаимодействие "сфера-сфера". Результат описан в "P.S." в моём первом сообщении. При чём в тестовой модели (одно тело-маятник соединено с base0 двумя контактными взаимодействиями сфера-сфера) всё работает замечательно, а модель токоприёмника оказывается чересчур сложной даже для одного такого взаимодействия в качестве основного шарнира (вероятно, из-за того что оно включается в замкнутую цепочку рычагов)

Буду надеяться, что когда-нибудь появится новый тип шарнирной силы, в которой задаются только трение и диаметр вала (или диаметры обойм и средней линии подшипников, как в Adams)
Тимофей Ецков
 
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 16 авг 2014, 21:54

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Roman Kovalev » 13 авг 2015, 13:09

Здравствуйте,

Согласен, нужен тип шарнирной силы с трением, пропорциональным силе реакции. Этого сейчас действительно нет. Попробуем включить в план разработок.

Роман
Аватара пользователя
Roman Kovalev
UM Team
 
Сообщения: 69
Зарегистрирован: 30 янв 2014, 18:46
Откуда: Брянск, Россия

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Тимофей Ецков » 18 авг 2015, 10:27

Для информации.
Задача успешно решена способом В, однако такое решение вызывает некоторые неудобства. После вставки идентификатора между двумя уже существующими все связи с двумя десятками внешних функций пришлось удалить и настроить заново.
Есть сомнения, что если идентификатор был переименован в среде UM Input, то UMSim это подхватит - в моём случае предложения заменить идентификатор не выдавалось

Кроме того, максимально допустимый шаг интегрирования пришлось понизить с 0.0005 до 0.0001, т.к. при некоторых значениях идентификаторов возникает численная ошибка, приводящая к увеличению трения в сотни и тысячи раз, вплоть до ошибки "Фатальное вырождение уравнений связей. Ваш механизм не существует". Эта численная ошибка возникла в тех шарнирах, в которых силы реакции были очень малы (десятки/сотни ньютон против 3...17,5 кН в основных шарнирах)

Но в целом, решение действительно помогло определить влияние изменения трения при движении механизма
Тимофей Ецков
 
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 16 авг 2014, 21:54

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Тимофей Ецков » 19 авг 2015, 02:42

Ещё раз перечитал ваше предложение по п.В и нашёл важное отличие от моего решения.
В моём случае используется не тип шарнирной силы "выражение", а тип "фрикционный", при этом знак скорости в расчёте момента трения не участвует (если подавать на вход такой силы отрицательный момент, то он, фактически, приравнивается нулю). Полагаю, это тоже корректно?

Сейчас на вход внешней функции подаются к-т трения f, диаметр вала D и сила реакции Q, на выходе - готовый момент трения М, подставляемый в соответствующее поле для фрикционной силы.
Можно ли упростить внешнюю функцию, записав выражение "f*D*Q" вместо "М" в поле для фрикционной силы, а во внешней функции только присваивать идентификатору Q силу реакции?

UPD 2015.08.20: При некоторых размерах плеч кинематической схемы не удаётся обойти ошибку "вырождение уравнений связей. Ваш механизм не существует" даже путём очень сильного уменьшения максимального шага итераций (до 5е-7). На графиках сил реакций видны возрастающие осцилляции силы (модуль силы реакции от нуля, амплитуда возрастает). Подскажите, каким ещё путём можно уйти от ошибки? Не хотелось бы без боя исключать трение из кареток токоприёмника (хотя их влияние всего порядка 0,1 % в статическом режиме)
Тимофей Ецков
 
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 16 авг 2014, 21:54

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Roman Kovalev » 21 авг 2015, 15:06

> Можно ли упростить внешнюю функцию, записав выражение "f*D*Q" вместо "М" в поле для фрикционной силы, а во внешней функции только присваивать идентификатору Q силу реакции?
Да, можно. См. копию экрана и модель в приложении.

> При некоторых размерах плеч кинематической схемы не удаётся обойти ошибку "вырождение уравнений связей. Ваш механизм не существует"
Вполне возможно, что так оно и есть - при некоторых значениях параметров механизм просто невозможно собрать и это не зависит от численных методов и их настроек. Нужно внимательно посмотреть на модель. Без модели трудно сказать что-либо по существу.
Вложения
pendulum.zip
Модель маятника с фрикционным моментом в шарнире, зависящим от силы реакции
(30.42 КБ) Скачиваний: 3917
Момент трения как функция силы реакции.PNG
Вверху - сила реакции в шарнире, внизу - момент силы трения
Аватара пользователя
Roman Kovalev
UM Team
 
Сообщения: 69
Зарегистрирован: 30 янв 2014, 18:46
Откуда: Брянск, Россия

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Тимофей Ецков » 26 авг 2015, 23:56

В том-то и дело, что отключение вычисления внешней функции для определённых шарниров (кареток) позволяет избежать ошибки (что я в итоге и сделал).
Тем не менее, при некоторых параметрах модели ошибка всё равно возникает. Во всех исследуемых случаях кроме одного мне удалось справиться с ошибкой путём существенного увеличения допускаемой погрешности (нормально 1е-6..1е-7, увеличенная 1е-4..1е-5
Тимофей Ецков
 
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 16 авг 2014, 21:54

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Тимофей Ецков » 24 фев 2020, 14:47

В модели выделил часть компонентов во внешние подсистемы (т.е. токоприёмник состоит из рычагов, а пневмопривод, каретки и пара узлов выполнены внешними подсистемами). Более того, в отдалённой перспективе сам токоприёмник должен быть внешней подсистемой в файле сцены, содержащей также контактную сеть и электровоз.

Нужно повторить фокус с моментом сил трения в шарнирах. Отсюда вопрос: где в UM Similation задавать связи с внешними библиотеками, определяющие момент трения:
1) все связи задавать в модели токоприёмника (с последующим переносом в модель сцены)
2) в каждой модели подсистемы собственные связи

Второй вариант удобнее и упрощает модифицирование всей модели, но что-то мне подсказывает, что UM Simulation работает только с головной сборкой.
Тимофей Ецков
 
Сообщения: 23
Зарегистрирован: 16 авг 2014, 21:54

Re: Трение в шарнирах

Сообщение Roman Kovalev » 25 фев 2020, 18:06

Тимофей, Вы правы, UM Simulation работает только с головной моделью.
Аватара пользователя
Roman Kovalev
UM Team
 
Сообщения: 69
Зарегистрирован: 30 янв 2014, 18:46
Откуда: Брянск, Россия


Вернуться в Общие вопросы моделирования

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 2

cron