Instituto Tecnológico de Aragón · volúmenes, temperatura, ...) I Foro Tecnológico y Empresarial sobre Nuevos Materiales Zaragoza, 15 de Junio de 2006 Modelización de sistemas

I Foro Tecnológico y Empresarial sobre Nuevos Materiales Zaragoza, 15 de Junio de 2006

Herramientas de Simulación Dinámica Aplicadas al Diseño de Sistemas en Automoción

Foro Tecnológico y Empresarial: Los Nuevos Retos de la AutomociónZaragoza, 13 de Marzo de 2008

Instituto Tecnológico de Aragón


Introducción

¿Qué es la Simulación Dinámica de Sistemas Continuos?Modelo: Representación (simplificada) de un sistema real

Modelo matémático (prototipo virtual): Ecuaciones matemáticas que definen el comportamiento de un sistema

),,( tf uxx =&

00 )( xx =t

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

Sistema real

Simulación: Experimento ejecutado sobre un modeloSimulación: Experimento ejecutado sobre un modelo

Entradas Salidas

Modelo

Simulación


Modelización de sistemas de automoción

Definición del sistema y objetivosDefinición del sistema y objetivos Recopilación de datos y conocimientoRecopilación de datos y conocimiento

Modelo matemático del sistemaModelo matemático del sistema

Simulación en condiciones de funcionamientoSimulación en condiciones de funcionamiento

Validación experimentalValidación experimental

Metodología general de modelización y simulación

Aplicación del modeloAplicación del modelo



Definición del sistema y objetivos• Multiplica de forma controlada la fuerza del pedal utilizando el vacío de la admisión del

motor o de una bomba de vacío• Convierte la fuerza total en presión hidráulica: actuación sobre freno de disco o tambor• Objetivo: predecir la curva característica a distintas velocidades de aplicación sin

necesidad de prototipos

Servofreno

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 400 800 1200 1600 2000 2400

Input force (N)

Out

put p

ress

ure

(bar

)Curva característica



Funcionamiento:•Principios básicos•Interacciones con otros sistemas•Condiciones y limitaciones de funcionamiento•...

Vacío

Fuerza de ayuda

Presión de salida

Fuerza de salidaFuerza de

entrada

Fuerza de salida = F. entrada + F. ayuda

VacíoVacío

Fuerza de ayudaFuerza de ayuda

Presión de salidaPresión de salida

Fuerza de salidaFuerza de salidaFuerza de

entradaFuerza de

entrada

Fuerza de salida = F. entrada + F. ayuda

Recopilación de datos y conocimiento:

Datos:•Geométricos

•Mecánicos (muelles, fricción, masas, contactos...)

•Hidráulicos (viscosidad, orificios, longitud canales, ...)

•Neumáticos (orificios, filtros, volúmenes, temperatura, ...)

•....



Modelo matemático del sistema: Simulación multidominio

Mecánica:Posición/Velocidad/Aceleración

Fuerzas y pares

Hidráulica:Presión

Volumen/Caudal

Neumática:Presión

Volumen/Flujo másicoDensidad

i

ii m

tFx ),,,( zy,xx &&&

Σ=

2ª Ley de Newton

( )AvqqVdt

dP ·...· 21 +++=β

Compresibilidad de mezcla aire-líquido

α

ρξ PAq Δ= ·2··

Pérdidas secundarias de presión en orificios

1Ma si )2.01(

0.53)/P(P 1Ma si 6847.0)(

out32

2/1inoutout

2/1*.

<+

⋅=

<==⋅⋅⋅⋅= −

out

out

inin

MaMa

f

ffTRAPm

γ

TRmVP ··· =

Flujo a través de tobera isentrópica

Ecuación de gas ideal

Interacción Interacción



Modelo matemático del sistema:

Ecuaciones básicasCaja blanca

Identificación experimental Caja negra

5.0·2··7.0 PAq Δ=ρ

),,( tf uxx =&

Ecuaciones básicas + funciones ajusteCaja gris

Ajuste con ensayos y simulaciones MEF y CFD

),,()·( tf uxxx ξ=&

0 N

75 N

150

N

500

N

1500

N

5000

N

-1,0

mm

-0,6

mm

-0,2

mm

0,2

mm

0,6

mm

1,0

mm

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

Force Output RodPenetration

F in / F out - 70 Shore Reaction Disc

Disco de reacción Modelo MEFFunción característica



Funciones ajuste acoplamiento neumática-mecánica:

Modelo MEF del diafragma a lo largo de la carrera

Funciones ajuste flujo neumático e hidráulico:

),( xPfC D ΔΔ=

0 0.05 0.

15 0.25 0.

35 0.45 0.

55 0.65 0.

75 0.85 0.

95

00.2

0.40.6

0.81

1.21.4

0

3

6

9

12

15

18

21

24

grs/

sec

DP (bar)Gap (mm)

Mass flow rate - HE valve

CFD 2D válvula neumática

CFD 3D válvulahidráulica


Implementación modelos matémáticos

Ecuaciones complejas sin solución analítica algoritmos de integración numéricaAplicaciones comerciales para simulación:

Generales: Matlab/SIMULINK, Matrixx, ModellicaSimulación mecanismos: ADAMS, Virtual.Lab MotionEspecíficos:

Hidráulica: AMESim, DSHElectrónica: SPICEVehículos: CARSim, CARMaker, ASM...

Mecanismo de suspensión

Diagrama de bloques




Banco específico: Condiciones controladas•Actuador: Sustituye al conductor•Vacío: Sustituye el motor o bomba de vacío•Circuito hidráulico: Sustituye los frenos y el circuito hidráulico

Validación experimental:

Actuador Circuito hidráulico

Vacío

ServofrenoActuador Circuito hidráulico

Vacío

Servofreno

Ensayo @ 3mm/s Ensayo @ 100mm/s


Simulación en el proceso de diseño y desarrollo

Simulación dinámica en el diseño conceptual del sistema

• Evaluación rápida de conceptos innovadores

• Detección de problemas en el sistema en fases iniciales de un proyecto

• Predicción del comportamiento del sistema en diferentes condiciones sin necesidad de prototipos. Estudio de modificaciones

• Análisis de la influencia de parámetros: Determinación de efectos relevantes y optimización previa a fabricación de prototipos y ensayos

• Análisis de vibraciones e inestabilidades

• Análisis del efecto de incertidumbres y perturbaciones

• Análisis y simulación de fallos del sistema

• Formación y demostración



Verificación•Modelo detallado de componente•Integración en modelo completo y verificación funcionamiento

Verificación•Modelo detallado de componente•Integración en modelo completo y verificación funcionamiento

SubsistemaSubsistema

ConceptoConcepto

ComponenteComponente

SubsistemaSubsistema

SistemaSistemaEspecificación Verific

ación

Simulación dinámica en el diseño de componentes

Especificaciones:• Esfuerzos para diseño estructural y a fatiga

• Rigidez de muelles y bushings

• Flujos y fuerzas en válvulas

• ...

Especificaciones:• Esfuerzos para diseño estructural y a fatiga

• Rigidez de muelles y bushings

• Flujos y fuerzas en válvulas

• ...

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/3rd-Jeep-Grand-Cherokee.jpg



Simulación dinámica para diseño de controlMotivación:• Complejidad creciente sistemas mecatrónicos en automoción (ABS, ESP, ACC, ...)• Reducción plazos de diseño y desarrollo• Reducción riesgo de fallos en fases avanzadas

Control SimuladoControl SimuladoSistema simuladoSistema simulado

SIL

SOFTWARE-IN-THE-LOOP•Modelo como lenguaje entre grupos de trabajo. Especificaciones actualizadas•Diseño y comprobación control en fases de concepto•Generación automática de código

Aplicaciones:

HARDWARE-IN-THE-LOOP•Verificación de hardware de control (Hardware-in-the-loop)

•Antes disponibilidad de prototipos (Hasta 95% ensayos HIL)

•Reducción coste y duración de ensayos

•Condiciones controladas de ensayo. Reproducción de fallos.

Hardware de controlHardware de controlSistema simulado (TR)Sistema simulado (TR)

HIL


Aplicaciones de la simulación dinámica en automoción


Motor

Suspensión

Dirección

Frenado

Vehículo completo

Transmisión

Espejos

Elevalunas

Asientos


Conclusiones

La simulación dinámica es una herramienta básica en el diseño y desarrollo de sistemas y componentes en mercados con elevada complejidad técnica (multidisciplinaridad) y plazos de desarrollo restringidos

El desarrollo de un modelo de sistema implica:

Un planteamiento claro de los objetivos que se persiguen con el modelo

La estructuración del conocimiento que se dispone sobre el sistema en forma de modelo matemático

El ajuste y validación del modelo hasta alcanzar los objetivos planteados


DEVELOPMENT OF A DESIGN TOOL FOR BRAKE BOOSTERS BASED ON CONTINUOUS SYSTEM SIMULATION

1Orús, Javier, 1Valdés, José Ramón, 1Nadal, Isaac*, 1Pelegay, José Luis, 2Pütz, Thomas, 3Giménez, Manuel

1)Instituto Tecnológico de Aragón (ITA), SPAIN, 2)TRW Automotive, GERMANY 3)TRW Automotive, SPAIN

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