[论文解读] 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 21

一句话总结

本文提出了一种面向施工机械的仿真驱动产品开发方法，采用多体动力学与多域系统建模，以优化轮式装载机的性能、效率和操作性。通过在统一的动态仿真框架中集成液压、传动和控制系统，研究展示了虚拟原型如何减少开发时间和成本，同时实现对非公路机械中复杂非线性相互作用的稳健多目标优化。

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.

研究动机与目标

• 研究旨在解决非公路机械中紧密耦合、非线性子系统优化的挑战。
• 旨在通过虚拟原型减少开发时间和成本，替代迭代式的物理测试。
• 研究聚焦于提升配备液力变矩器的轮式装载机的机器性能、燃油效率和操作性。
• 研究探讨了将操作员行为和环境模型集成，以提升仿真的真实感。
• 目标包括开发一种用于复杂施工机械系统稳健多目标优化的框架。

提出的方法

• 研究采用ADAMS中的多体系统（MBS）建模方法，模拟完整的轮式装载机动力学行为。
• 液压和传动子系统通过基于物理的子程序建模，包括在散粒材料中挖掘阻力的经验证力模型。
• 基于操作知识和实际控制模式，采用IF/STEP语句和定时器在仿真中实现混合型驾驶员模型。
• 通过CAN总线模型集成电子控制单元（ECUs），以表征实时控制策略。
• 采用联合仿真环境，结合MATLAB/Simulink用于控制逻辑，ADAMS用于机械动力学。
• 该方法实现了对系统参数的多目标优化，包括燃油效率、循环时间以及操作员对性能的感知。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过完整非公路机械的动态仿真提升系统级性能，并减少开发时间和成本？
• RQ2 在轮式装载机中，建模液压、传动和控制子系统之间相互作用的关键挑战是什么？
• RQ3 如何实现对操作员行为的真实建模，以在仿真中反映现实世界的控制策略？
• RQ4 哪些仿真技术能够实现对散粒材料装载过程中作用力和转矩的准确预测？
• RQ5 如何在虚拟环境中对操作性（即对机械平衡与可控性的整体感知）进行量化并实现优化？

主要发现

• 将多体动力学与液压及控制子系统集成，可准确预测装载循环中复杂非线性相互作用。
• 在ADAMS中成功实现了粗粒碎石挖掘阻力的经验证力模型，并与实测缸压数据进行了验证。
• 仿真结果表明，虚拟原型可通过早期发现系统级妥协，显著减少开发时间和成本。
• 基于操作规则的简化但真实的驾驶员模型，无需完整人机闭环建模，即可提升性能评估的保真度。
• 通过仿真驱动设计，证明了对系统参数（包括燃油效率和循环时间）进行多目标优化的可行性。
• 本研究将操作性识别为关键但定义不明确的性能指标，强调未来研究中需对其实施正式量化。