[論文レビュー] Using Dynamic Simulation in the Development of Construction Machinery

Reno Filla, Jan-Ove Palmberg|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2003

Manufacturing Process and Optimization参考文献 17被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、ホイールローダーにおける性能、効率性、操作性の最適化を目的として、マルチボディダイナミクスとマルチドメインシステムモデリングを用いたシミュレーション駆動型製品開発手法を提案する。油圧、駆動系、制御系を統合した包括的な動的シミュレーションフレームワークを構築することで、本研究は、オフロード機械における複雑な非線形相互作用のロバストで多目的最適化が可能であることを示している。仮想プロトタイピングにより開発期間とコストを削減できることが実証された。

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.

研究の動機と目的

• オフロード機械における密に結合された非線形サブシステムの最適化という課題に取り組むこと。
• 繰り返しの物理的試験に代わる仮想プロトタイピングにより、開発期間とコストを短縮すること。
• 水圧伝動を備えたホイールローダーにおける機械性能、燃費効率、操作性の向上に焦点を当てる。
• シミュレーションの現実性を高めるために、運転操作行動と環境モデルの統合を検討すること。
• 複雑な建設機械システムのロバストで多目的最適化のためのフレームワークを開発すること。

提案手法

• 本研究では、ADAMSを用いたマルチボディシステム（MBS）モデリングにより、完全なホイールローダーのダイナミクスをシミュレートする。
• 油圧および駆動系サブシステムは、物理ベースのサブルーチンを用いてモデル化され、特に粒状材料における掘削抵抗の妥当な力モデルが含まれる。
• 操作知識と実際の制御パターンに基づき、IF/STEPステートメントとタイマーを用いたハイブリッドドライバーモデルがシミュレーションに実装された。
• 電子制御ユニット（ECUs）はCANバスモデルを介して統合され、リアルタイム制御戦略を再現する。
• MATLAB/Simulinkを用いた制御論理とADAMSを用いた機械的ダイナミクスを統合したコシミュレーション環境が使用された。
• 本アプローチにより、燃料効率、サイクル時間、運転手による性能の認識といったシステムパラメータの多目的最適化が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なオフロード機械の動的シミュレーションは、システムレベルの性能向上と開発期間・コストの削減にどのように寄与するか？
• RQ2 ホイールローダーにおける油圧、駆動系、制御サブシステム間の相互作用をモデル化する際の主な課題は何か？
• RQ3 シミュレーションにおける現実の制御戦略を反映するように、運転操作行動をどのように現実的にモデル化できるか？
• RQ4 粒状材料のバケット積載時における力とトルクの正確な予測を可能にするシミュレーション技術は何か？
• RQ5 機械のバランスと制御性の包括的認識として定義される操縦性は、仮想環境でどのように定量化され、最適化できるか？

主な発見

• マルチボディダイナミクスと油圧・制御サブシステムの統合により、積載サイクル中の複雑で非線形な相互作用の正確な予測が可能となった。
• 粗い砕石における掘削抵抗の妥当な力モデルがADAMSに実装され、測定されたシリンダ圧力と照合された。
• シミュレーション結果から、仮想プロトタイピングにより、システムレベルの妥当性の欠如を早期に特定でき、開発期間とコストの削減が可能であることが示された。
• 操作ルールに基づく簡素化されたが現実的なドライバーモデルの使用により、完全な人間を含むループモデルを必要とせずに、性能評価の忠実性が向上した。
• 燃料効率やサイクル時間といったシステムパラメータの多目的最適化が、シミュレーションベースの設計により実現可能であることが実証された。
• 本研究では、操縦性が重要なが定義が曖昧な性能指標であることが同定され、今後の研究においてその形式的定量化の必要性が強調された。