Instituto Tecnológico de Aragón. Herramientas de Simulación Dinámica Aplicadas al Diseño de Sistemas en Automoción

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María Dolores Hernández Olivera
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1 Instituto Tecnológico de Aragón Herramientas de Simulación Dinámica Aplicadas al Diseño de Sistemas en Automoción Foro Tecnológico y Empresarial: Los Nuevos Retos de la Automoción Zaragoza, 13 de Marzo de 2008

Introducción Qué es la Simulación Dinámica de Sistemas Continuos?

matémático (prototipo virtual): Ecuaciones matemáticas que definen

Ordinarias x = & f ( x, u, t) x ( t = x 0 ) 0 Salidas Simulación:

2 Introducción Qué es la Simulación Dinámica de Sistemas Continuos? Modelo: Representación (simplificada) de un sistema real Modelo matémático (prototipo virtual): Ecuaciones matemáticas que definen el comportamiento de un sistema Entradas Ecuaciones Diferenciales Ordinarias x = & f ( x, u, t) x ( t = x 0 ) 0 Salidas Simulación: Experimento ejecutado sobre un modelo Simulación Sistema real Modelo

Modelización de sistemas de automoción Metodología general de modelización y simulación Definición del sistema y objetivos Recopilación de

3 Modelización de sistemas de automoción Metodología general de modelización y simulación Definición del sistema y objetivos Recopilación de datos y conocimiento Modelo matemático del sistema Simulación en condiciones de funcionamiento Validación experimental Aplicación del modelo

Modelización de sistemas de automoción Definición del sistema y objetivos Multiplica de forma controlada la fuerza del pedal utilizando el vacío de la admisión del motor o de una bomba de vacío

4 Modelización de sistemas de automoción Definición del sistema y objetivos Multiplica de forma controlada la fuerza del pedal utilizando el vacío de la admisión del motor o de una bomba de vacío Convierte la fuerza total en presión hidráulica: actuación sobre freno de disco o tambor Objetivo: predecir la curva característica a distintas velocidades de aplicación sin necesidad de prototipos Output pressure (bar) Servofreno Input force (N) Curva característica

5 Modelización de sistemas de automoción Recopilación de datos y conocimiento: Funcionamiento: Principios básicos Interacciones con otros sistemas Condiciones y limitaciones de funcionamiento... Datos: Geométricos Mecánicos (muelles, fricción, masas, contactos...) Hidráulicos (viscosidad, orificios, longitud canales,...) Neumáticos (orificios, filtros, volúmenes, temperatura,...)... Vacío Fuerza de ayuda Fuerza de salida Presión de salida Fuerza de salida = F. entrada + F. ayuda Fuerza de entrada

6 Modelización de sistemas de automoción Modelo matemático del sistema: Simulación multidominio Hidráulica: Presión Volumen/Caudal 2 q = Aξ ΔP ρ α Interacción Mecánica: Posición/Velocidad/Aceleración Fuerzas y pares && x ΣF ( t, x, x&, y, z) = i i mi 2ª Ley de Newton Interacción Neumática: Presión Volumen/Flujo másico Densidad P V = m R T Ecuación de gas ideal Pérdidas secundarias de presión en orificios dp dt = β V ( q + q +... v A) Compresibilidad de mezcla aire-líquido. m = P A * f = f in ( R T 1/ 2 γ Ma = ( Ma si Ma out 2 out in ) ) 3 1/ 2 out f = 1(P out /P in si Ma Flujo a través de tobera isentrópica < 0.53) out < 1

Modelización de sistemas de automoción Modelo matemático del sistema: x = & f ( x, u, t) x& = ξ ( x) f ( x, u, t) q = 2 0.7 A Δ P ρ 0.

7 Modelización de sistemas de automoción Modelo matemático del sistema: x = & f ( x, u, t) x& = ξ ( x) f ( x, u, t) q = A Δ P ρ 0.5 Ecuaciones básicas Caja blanca Ecuaciones básicas + funciones ajuste Caja gris Identificación experimental Caja negra Ajuste con ensayos y simulaciones MEF y CFD F in / F out - 70 Shore Reaction Disc 0,400 0,300 0,200 0,100 Disco de reacción Modelo MEF -1,0 mm -0,6 mm Penetration -0,2 mm 0,2 mm 0,6 mm 1,0 mm 5000 N 1500 N 500 N 150 N 75 N 0 N Función característica 0,000 Force Output Rod

0 Modelización de sistemas de automoción Funciones ajuste

de la carrera Funciones ajuste flujo neumático e hidráulico: C D = f

4 1.2 1 0.8 Gap (mm) 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.

8 0 Modelización de sistemas de automoción Funciones ajuste acoplamiento neumática-mecánica: Modelo MEF del diafragma a lo largo de la carrera Funciones ajuste flujo neumático e hidráulico: C D = f ( Δ P, Δ x ) Mass flow rate - HE valve grs/sec Gap (mm) DP (bar) CFD 2D válvula neumática CFD 3D válvula hidráulica

Matlab/SIMULINK, Matrixx, Modellica Simulación mecanismos: ADAMS, Virtual.

9 Modelización de sistemas de automoción Implementación modelos matémáticos Ecuaciones complejas sin solución analítica algoritmos de integración numérica Aplicaciones comerciales para simulación: Generales: Matlab/SIMULINK, Matrixx, Modellica Simulación mecanismos: ADAMS, Virtual.Lab Motion Específicos: Hidráulica: AMESim, DSH Electrónica: SPICE Vehículos: CARSim, CARMaker, ASM... Diagrama de bloques Mecanismo de suspensión

Modelización de sistemas de automoción Validación experimental: Banco específico: Condiciones controladas Vacío Actuador: Sustituye al conductor Vacío: Sustituye

10 Modelización de sistemas de automoción Validación experimental: Banco específico: Condiciones controladas Vacío Actuador: Sustituye al conductor Vacío: Sustituye el motor o bomba de vacío Circuito hidráulico: Sustituye los frenos y el circuito hidráulico Actuador Servofreno Circuito hidráulico 3mm/s 100mm/s

Simulación en el proceso de diseño y desarrollo Simulación dinámica en el diseño conceptual del sistema Evaluación rápida de conceptos innovadores Detección de

Estudio de modificaciones Análisis de la influencia de parámetros: Determinación de efectos relevantes y optimización previa a fabricación de prototipos y

11 Simulación en el proceso de diseño y desarrollo Simulación dinámica en el diseño conceptual del sistema Evaluación rápida de conceptos innovadores Detección de problemas en el sistema en fases iniciales de un proyecto Predicción del comportamiento del sistema en diferentes condiciones sin necesidad de prototipos. Estudio de modificaciones Análisis de la influencia de parámetros: Determinación de efectos relevantes y optimización previa a fabricación de prototipos y ensayos Análisis de vibraciones e inestabilidades Análisis del efecto de incertidumbres y perturbaciones Análisis y simulación de fallos del sistema Formación y demostración

Esfuerzos para diseño estructural y a fatiga Rigidez de muelles y bushings Flujos y fuerzas en

12 Simulación en el proceso de diseño y desarrollo Simulación dinámica en el diseño de componentes Concepto Especificación Subsistema Verificación Subsistema Sistema Componente Especificaciones: Esfuerzos para diseño estructural y a fatiga Rigidez de muelles y bushings Flujos y fuerzas en válvulas... Verificación Modelo detallado de componente Integración en modelo completo y verificación funcionamiento

Simulación en el proceso de diseño y desarrollo Simulación dinámica para diseño de control

..) Reducción plazos de diseño y desarrollo Reducción riesgo de fallos en fases avanzadas

automática de código Sistema simulado (TR) HIL Hardware de control HARDWARE-IN-THE-LOOP

13 Simulación en el proceso de diseño y desarrollo Simulación dinámica para diseño de control Motivación: Complejidad creciente sistemas mecatrónicos en automoción (ABS, ESP, ACC,...) Reducción plazos de diseño y desarrollo Reducción riesgo de fallos en fases avanzadas Aplicaciones: Sistema simulado SIL Control Simulado SOFTWARE-IN-THE-LOOP Modelo como lenguaje entre grupos de trabajo. Especificaciones actualizadas Diseño y comprobación control en fases de concepto Generación automática de código Sistema simulado (TR) HIL Hardware de control HARDWARE-IN-THE-LOOP Verificación de hardware de control (Hardware-in-the-loop) Antes disponibilidad de prototipos (Hasta 95% ensayos HIL) Reducción coste y duración de ensayos Condiciones controladas de ensayo. Reproducción de fallos.

14 Simulación en el proceso de diseño y desarrollo Aplicaciones de la simulación dinámica en automoción Espejos Frenado Asientos Motor Elevalunas Transmisión Suspensión Dirección Vehículo completo

15 Conclusiones La simulación dinámica es una herramienta básica en el diseño y desarrollo de sistemas y componentes en mercados con elevada complejidad técnica (multidisciplinaridad) y plazos de desarrollo restringidos El desarrollo de un modelo de sistema implica: Un planteamiento claro de los objetivos que se persiguen con el modelo La estructuración del conocimiento que se dispone sobre el sistema en forma de modelo matemático El ajuste y validación del modelo hasta alcanzar los objetivos planteados

16 DEVELOPMENT OF A DESIGN TOOL FOR BRAKE BOOSTERS BASED ON CONTINUOUS SYSTEM SIMULATION 1 Orús, Javier, 1 Valdés, José Ramón, 1 Nadal, Isaac*, 1 Pelegay, José Luis, 2 Pütz, Thomas, 3 Giménez, Manuel 1) Instituto Tecnológico de Aragón (ITA), SPAIN, 2) TRW Automotive, GERMANY 3) TRW Automotive, SPAIN

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