Άμεσος προσδιορισμός μόνιμης κατάστασης ταλάντωσης και διάγνωση-αναγνώριση βλαβών σε μη γραμμικά μοντέλα οχημάτων

Abstract

In the present dissertation, systematic analytical and numerical methodologies are developed for directly determining steady state motions in nonlinear mechanical systems subjected to periodic excitation. Additional methodologies are also developed for performing fault diagnosis and identification studies in such nonlinear systems. These methodologies are then applied to vehicle dynamical models. In the cases examined, the external forcing comes from either ground excitation or gas pressure developed inside the vehicle engine cylinders. Emphasis is put on investigating the effect of strong nonlinearities existing in vehicle suspensions as well as the engine crankshaft and block mounts.In general, extreme numerical difficulties arise while determining periodic motions and performing fault diagnosis and identification in the systems examined. This is due to the geometric complexities as well as the existing and activated nonlinearities in the examined systems. For this reason, the methods developed are initially applied to simple mechanical models, in order to estimate their numerical accuracy and verify their effectiveness. Next, more complex mechanical models are examined. The ultimate purpose is the successful application of the developed methodologies in more accurate models with flexible members, arising from direct application of the finite element method in an actual car, leading to a dynamical system with a relatively large number of degrees of freedom.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αρχικά αναπτύσσονται συστηματικές αναλυτικές και αριθμητικές μεθοδολογίες για τον άμεσο προσδιορισμό της μόνιμης κατάστασης ταλάντωσης μη γραμμικών μηχανικών συστημάτων, υποκείμενων σε περιοδική φόρτιση. Στη συνέχεια αναπτύσσονται πρόσθετες αριθμητικές μεθοδολογίες για τη διενέργεια διάγνωσης-αναγνώρισης βλαβών σε τέτοια συστήματα. Οι μεθοδολογίες επιλέγεται να εφαρμοσθούν σε δυναμικά μοντέλα οχήματος. Στις εξεταζόμενες περιπτώσεις, η εξωτερική διέγερση προέρχεται είτε από γεωμετρικές ανομοιομορφίες του εδάφους ή από την πίεση των καυσαερίων που αναπτύσσεται στους κυλίνδρους του κινητήρα του οχήματος. Επιπλέον, η έμφαση δίδεται στη διερεύνηση της επίδρασης της ισχυρά μη γραμμικής συμπεριφοράς που εμφανίζεται στα χαρακτηριστικά στιβαρότητας και απόσβεσης των αναρτήσεων του οχήματος, καθώς επίσης στα χαρακτηριστικά στιβαρότητας και απόσβεσης της έδρασης του στροφαλοφόρου άξονα και των ελαστικών στοιχείων στήριξης του πλαισίου του κινητήρα.Τόσο κατά τον άμεσο προσδιορισμό περιοδικών κινήσεων, όσο και κατά την επίλυση του προβλήματος διάγνωσης και αναγνώρισης βλαβών στο σύστημα του οχήματος εμφανίζονται ιδιαίτερες αριθμητικές δυσκολίες. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της πολυπλοκότητας της γεωμετρίας της κατασκευής του, αλλά και της ύπαρξης και ενεργοποίησης μη γραμμικοτήτων που υπάρχουν στα χαρακτηριστικά των συνδέσμων των κατασκευαστικών μελών και συνιστωσών του οχήματος. Για το λόγο αυτό, αρχικά εφαρμόζονται μέθοδοι που αναπτύχθηκαν για σχετικά απλά μηχανικά μοντέλα, με σκοπό την εκτίμηση της αριθμητικής ακρίβειας και την επιβεβαίωση της αποτελεσματικότητάς τους. Στη συνέχεια, η εξέταση επεκτείνεται σταδιακά σε συνθετότερα μοντέλα. Τελικά, έγινε επιτυχής εφαρμογή των μεθοδολογιών σε ακριβή μοντέλα με παραμορφώσιμα μέλη, που προέρχονται από εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων στη γεωμετρία ενός πραγματικού οχήματος και οδηγούν σε δυναμικά συστήματα με μεγάλο αριθμό βαθμών ελευθερίας.