Tesis:
Contributions to Topological Formulations for the Dynamic Simulation of Vehicles
- Autor: PAN, Yongjun
- Título: Contributions to Topological Formulations for the Dynamic Simulation of Vehicles
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: MATEMATICAS DEL AREA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/48853/
- Director/a 1º: GARCÍA DE JALÓN DE LA FUENTE, Javier
- Director/a 2º: CALLEJO GOENA, Alfonso
- Resumen: Existen numerosos métodos para la simulación dinámica de sistemas multicuerpo de tamaño mediano-grande. En las últimas décadas, debido a la fuerte demanda de simulación de vehículos en tiempo real, se ha suscitado un gran interés en torno a las formulaciones topológicas eficientes. En esta Tesis se investiga la eficiencia computacional de varios métodos numéricos aplicados a modelos realistas de vehículos, y se introducen técnicas novedosas en una formulación topológica puntera. En primer lugar, tres formulaciones topológicas de vanguardia (semirrecursiva generalizada, semirrecursiva de doble paso y síntesis de subsistemas) han sido investigadas en cuanto a sus principios básicos, eficiencia numérica y exactitud. Además, han sido numéricamente implementadas y aplicadas a un rover de 28 grados de libertad y cadena abierta, y un vehículo sedán de 16 grados de libertad y cadena cerrada. En segundo lugar, se ha introducido una mejora original en la técnica de eliminación de rods (barras biarticuladas) del método semirrecursivo de doble paso, basada en la aproximación de las fuerzas inerciales relacionadas con segundas derivadas. Esto reduce la complejidad de la matriz de masa y mejora la eficiencia computacional. Tres métodos han sido utilizados para extrapolar las aceleraciones: constante, lineal y Lagrange cuadrático. Además, se ha introducido un nuevo método para particionar la inercia de los rods y preservar la exactitud. En tercer lugar, una técnica basada en el refinamiento iterativo ha sido introducida para acelerar el integrador Runge-Kutta de cuarto orden, por la cual se evita la factorización de la matriz de masa y su cálculo. Un vehículo sedán de 16 grados de libertad y un camión de 40 grados de libertad han sido simulados en detalle para evaluar la eficiencia computacional y exactitud. En resumen, se han implementado varias mejoras en una formulación topológica con respecto a la forma de las ecuaciones del movimiento y el método de integración numérica. Las mejoras han sido respaldadas con una comparación con formulaciones de última generación y con la simulación realista de vehículos. ----------ABSTRACT---------- There exist a wide variety of topological formulations that deal with the dynamic simulation of medium-large multibody systems. In recent decades, with the strong demand of real-time simulation of vehicle models, a great deal of interest has emerged around efficient topological formulations. This Thesis investigates the computational efficiency of different numerical approaches applied to a number of realistic vehicle models, and introduces a number of novel techniques into a state-of-the-art topological formulation. First, three state-of-the-art topological formulations (generalized semi-recursive, double-step semi-recursive and subsystem synthesis) have been investigated in terms of underlying principles, numerical efficiency and accuracy. They have been numerically implemented and applied to a 28-degree-of-freedom, open-loop rover and a 16-degree-of-freedom, closed-loop sedan vehicle. Second, an original improvement to the rod-removal technique, based on the approximation of second-derivative-based inertia forces, has been introduced into the double-step semi-recursive formulation. This reduces the complexity of the system inertia matrix and improves computational efficiency. Three extrapolation methods are used to approximate the accelerations: constant, linear and quadratic Lagrange. Further, a novel method for the matrix partitioning of the rod inertia has been introduced to preserve accuracy. Third, an iterative refinement technique for the speedup of the 4th-order Runge-Kutta integrator has been presented, whereby the generalized mass matrix factorization and its calculation are avoided. A 16-degree-of-freedom sedan vehicle model and a 40-degree-of-freedom semi-trailer truck model have been simulated in detail to evaluate the computational efficiency and accuracy. In summary, a number of improvements to both the form of the equations of motion and the time integration scheme have been implemented within a topological formulation. The improvements are backed by a comparison with alternative state-of-the-art methods and the simulation of realistic vehicles.