Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Presentazione sul tema: "Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici"— Transcript della presentazione:

1 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Meccatronica e Modellistica? Mechatronics is centered on mechanics, electronics, computing, control engineering. …material engineering… which, combined, make possible the generation of simpler, more economical, reliable and versatile systems. The portmanteau "mechatronics" was coined by Tetsuro Mori, the senior engineer of the Japanese company Yaskawa in 1969

2 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Un Sistema Meccatronico è costituito da: una parte meccanica, formata in genere da più corpi (rigidi o flessibili) connessi tra loro in modo da consentire moti relativi (sist. Multicorpo) azionamenti (elettrici, pneumatici etc.) sensori una parte di controllo Il modello di tale sistema deve comprendere questi elementi

3 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Meccatronica e Modellistica? La progettazione meccatronica richiede la capacità di modellare e simulare il comportamento di un sistema meccanico, anche considerando l’interazione con i sistemi di controllo e gli azionamenti. Il modello virtuale del sistema consente di effettuare test veloci, di prevederne il comportamento ed individuare eventuali criticità

4 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Le metodologie di modellazione possono poi essere implementate in programmi di calcolo che consentono la “sperimentazione” su prototipi virtuali con risparmio di costi e tempi rispetto a test su prototipi fisici. I pacchetti commerciali (MSC.ADAMS) “nascondono” la parte di scrittura e soluzione delle equazioni lasciando all’utente la modellazione geometrica e l’ingresso dei dati

5 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Sistema Multicorpo è un insieme di due o più corpi (rigidi o flessibili) collegati tra loro in modo che sia conservata la possibilità di moto relativo F M

6 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Esempio di sistema multicorpo (meccatronico)?

7 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Esempio di sistema multicorpo (meccatronico)?

8 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Esempi di sistemi multicorpo

9 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Automotive MB Consente di realizzare modelli e test virtuali

10 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
E’ possibile testare il comportamento di componenti hardware (ad es freni, sospensioni) all’interno di un sistema più complesso simulato via software: HIL (hardware in the loop)

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Schema banco prova HIL

12 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Banco prova ABS HIL

13 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
“AUTOVEICOLO….”

14 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Oppure…. Un modello semplificato di veicolo è codificato nella centralina del dispositivo di controllo stabilità per stimare l’assetto del veicolo stesso

15 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

16 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

17 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
ABS ESP

18 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Applicazioni non tradizionali Forensic mechanics (ricostruzione incidenti stradali)

19 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici prof. V. Lorenzi
Coordinate Ufficio: II piano edificio B, uff Tel:035/ Orario di Ricevimento Lunedì , Mercoledì 15-17 Materiale didattico e comunicazioni

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21 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Testi di consultazione: A. Shabana, Dynamics of Multibody Systems, Wiley. G. Legnani, Robotica industriale, Casa Editrice Ambrosiana. G. Genta, Meccanica dell’autoveicolo, Levrotto & Bella, Torino, 2000 Esercitazioni Le esercitazioni consistono nella risoluzione numerica di problemi tramite Matlab e ADAMS. Modalità d’esame L’esame consiste in un colloquio orale

22 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Orario: Martedì in aula 11 informatica Venerdì aula 23 Modalità: Lezioni teoriche in aula e esercitazioni con Matlab e MSC.ADAMS in lab. Informatico Conoscenze richieste: Meccanica Razionale - Meccanica Applicata – Vibrazioni Meccaniche (?)

23 Alternative ??

24 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Tipologia dei sistemi multibody “Collegamenti” tra corpi Sistemi di coordinate, vincoli e gradi di libertà Classi di problemi Cenni sull’ integrazione tra FEM e multibody Cosimulazione

25 Tipologia di un sistema multicorpo
Un sistema multicorpo può essere a catena aperta – PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly, or Programmable Universal Manipulation Arm) … o a catena chiusa

26 Giunti e gradi di libertà
I corpi sono collegati tra loro tramite giunti… I gradi di libertà corrispondono al numero di coordinate indipendenti che definiscono la posizione del sistema. Formula di Gruebler: dof=6*n_corpi-nv

27 Giunti e gradi di libertà
…si scambiano azioni tramite elementi elastici, viscosi… Alcuni vincoli legano tra loro solo le velocità (o le variazioni delle coordinate)

28 Tipi di coordinate Per definire la posizione si puo’ usare un set di coordinate indipendenti o un set esteso di coordinate dipendenti legate da equazioni di vincolo Un programma “general purpose” utilizza il medesimo set: coordinate relative coordinate cartesiane coordinate naturali Un programma dedicato può utilizzare formulazioni miste

29 Modellistica dei Veicoli e dei Sistemi Meccatronici
Coordinate relative 3 coordinate, 1 gdl, perciò 2 equazioni di vincolo

30 Modellistica dei Veicoli e dei Sistemi Meccatronici
Coord. Cartesiane 9 coordinate, 1 gdl, perciò 8 equazioni di vincolo…

31 Coordinate relative in 3D
Molto usata la notazione di Denavit e Hartenberg, con matrici omogenee 4x4

32 Coordinate cartesiane in 3D
Nel caso 3D si usano le coordinate di un punto e l’orientamento. Per definire l’orientamento vengono usati gli angoli di Eulero, di Cardano (3 parametri indipendenti) o set di 4 coordinate dipendenti (parametri di Rodriguez-Hamilton, quaternioni, asse di rotazione finita)

33 Classi di problemi Analisi cinematica
Studio del movimento di un sistema multicorpo a prescindere dalle forze agenti: assemblaggio, posizione, velocità ed accelerazione Analisi dinamica Studio del movimento di un sistema multicorpo in relazione alle forze agenti Sintesi cinematica e dinamica Progetto di un sistema multicorpo che soddisfa “criteri” cinematici o dinamici

34 Modellazione Modellazione

35 Vincoli-carichi

36 Assemblaggio

37 Cinematica Analisi di posizione e simulazione cinematica
Consente di esaminare il posizionamento del meccanismo, individuare collisioni, determinare gli angoli di pressione etc.

38 Dinamica e Post-Processing

39 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Elementi flessibili FEM MBS Stress

40 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Programma in sintesi. Sistemi di riferimento, cambi di base e richiami sulle operazioni vettoriali. Orientamento di un corpo nello spazio, coordinate angolari. Velocità e accelerazione di un corpo rigido. Catena cinematica: coordinate indipendenti e dipendenti, relative (joint), cartesiane (body), naturali. Vincoli ed equazioni di vincolo. Cinematica di sistema multicorpo Dinamica del corpo rigido e di sistemi di corpi rigidi: equazioni di Lagrange e di Newton Eulero. Integrazione delle equazioni di moto. Sistemi con corpi flessibili Cosimulazione per sistema “meccatronico”

41 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
A venerdì…. Prof. Vittorio Lorenzi

42 Modellistica e Simulazione dei Sistemi Meccanici
Ricerche in corso (dottorato di ricerca in Meccatronica) Banco prova HIL di sospensione motociclistica Modellazione di attuatori piezoelettrici

43 LM Ing. Meccanica

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