[논문 리뷰] Using Dynamic Simulation in the Development of Construction Machinery

Reno Filla, Jan-Ove Palmberg|arXiv (Cornell University)|2003. 01. 01.

Manufacturing Process and Optimization참고 문헌 17인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 휠로더에서 성능, 효율성 및 조작성의 최적화를 위해 다체계역학 및 다영역 시스템 모델링을 활용한 시뮬레이션 기반 제품 개발 접근법을 제안한다. 유압, 구동계 및 제어 시스템을 통합된 동적 시뮬레이션 프레임워크 내에서 통합함으로써, 이 연구는 가상 프로토타ип링이 개발 시간과 비용을 줄이고, 지형 외부 기계에서 복잡한 비선형 상호작용에 대한 강건한 다목적 최적화를 가능하게 함을 보여준다.

ABSTRACT

As in the car industry for quite some time, dynamic simulation of complete vehicles is being practiced more and more in the development of off-road machinery. However, specific questions arise due not only to company structure and size, but especially to the type of product. Tightly coupled, non-linear subsystems of different domains make prediction and optimisation of the complete system's dynamic behaviour a challenge. Furthermore, the demand for versatile machines leads to sometimes contradictory target requirements and can turn the design process into a hunt for the least painful compromise. This can be avoided by profound system knowledge, assisted by simulation-driven product development. This paper gives an overview of joint research into this issue by Volvo Wheel Loaders and Linkoping University on that matter, lists the results of a related literature review and introduces the term "operateability". Rather than giving detailed answers, the problem space for ongoing and future research is examined and possible solutions are sketched.

연구 동기 및 목표

• . 연구는 지형 외부 기계에서 밀접하게 결합된 비선형 하위계통의 최적화 문제를 해결하고자 한다.
• 반복적인 물리적 시험을 대체하여 가상 프로토타입링을 통해 개발 시간과 비용을 줄이고자 한다.
• 수력전달장치를 갖춘 휠로더에서 기계 성능, 연료 효율성 및 조작성 향상을 목표로 한다.
• 시뮬레이션의 현실성 향상을 위해 운전사 행동 및 환경 모델의 통합을 조사한다.
• 복잡한 건설 기계 시스템의 강건한 다목적 최적화를 위한 프레임워크 개발을 포함한다.

제안 방법

• . 연구는 ADAMS를 사용한 다체계역학(MBS) 모델링을 활용하여 전체 휠로더 동역학을 시뮬레이션한다.
• 유압 및 구동계 하위계통은 물리 기반 서브루틴으로 모델링되며, 퇴적물에서의 굴착 저항력에 대한 검증된 힘 모델이 포함되어 있다.
• 운영 지식과 실제 제어 패턴을 기반으로 IF/STEP 문장과 타이머를 사용한 하이브리드 운전사 모델이 구현되었다.
• 시뮬레이션은 전자 제어 장치(ECUs)를 CAN 버스 모델을 통해 통합하여 실시간 제어 전략을 표현한다.
• MATLAB/Simulink에서 제어 논리를, ADAMS에서 기계적 동역학을 처리하는 공시뮬레이션 환경을 사용한다.
• 이 방법은 연료 효율성, 사이클 시간, 운전사의 성능 인식 등 시스템 파라미터의 다목적 최적화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 완전한 지형 외부 기계의 동적 시뮬레이션은 시스템 수준 성능 향상과 개발 시간 및 비용 절감에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 . 휠로더에서 유압, 구동계 및 제어 하위계통 간의 상호작용을 모델링할 때의 주요 과제는 무엇인가?
• RQ3 . 실제 제어 전략을 반영하기 위해 운전사 행동을 어떻게 현실적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 . 모래성 퇴적물에 대한 버킷 적재 과정에서 힘과 토크를 정확하게 예측하기 위한 시뮬레이션 기법은 무엇인가?
• RQ5 . 기계의 균형감과 제어 가능성에 대한 종합적인 운전사 인식으로 정의되는 조작성은 어떻게 정량화하고 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• . 다체계역학과 유압 및 제어 하위계통의 통합은 적재 사이클 중 비선형 상호작용을 정확하게 예측할 수 있게 한다.
• . 거친 자갈에서의 굴착 저항력에 대한 검증된 힘 모델이 ADAMS에 성공적으로 구현되었으며, 측정된 실린더 압력과 일치함을 확인하였다.
• . 시뮬레이션 결과는 가상 프로토타입링이 시스템 수준의 타협 요소를 조기에 발견할 수 있어 개발 시간과 비용을 줄일 수 있음을 보여준다.
• . 운영 규칙 기반의 단순화된 그러나 현실적인 운전사 모델을 사용함으로써, 전체 인간-하이퍼루프 모델링이 필요 없이도 성능 평가의 정밀도가 향상된다.
• . 시뮬레이션 기반 설계를 통해 연료 효율성 및 사이클 시간과 같은 시스템 파라미터의 다목적 최적화가 가능함을 입증하였다.
• . 연구는 조작성을 중요한 성능 지표로 규명하지 못한 채 중요한 지표로 간주하고 있으며, 향후 연구에서의 공식적 정량화 필요성을 강조한다.