Laboratorio de Ingeniería Mecánica
Universidad de La Coruña
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MBSLIM: Multibody Systems en Laboratorio de Ingeniería Mecánica

Introducción:

MBSLIM es una biblioteca para la simulación dinámica de sistemas multicuerpo genéricos, desarrollada desde el año 2007 en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de A Coruña. Además de su principal utilidad, que es la simulación dinámica, la MBSLIM cuenta con algunas capacidades extra como son la simulación cinemática o la resolución del equilibrio estático de mecanismos, aunque se centra especialmente en la dinámica ya que es un problema mucho más complicado de resolver. Adicionalmente la biblioteca cuenta con algunas capacidades singulares como la estimación de estados mediante filtros EKF (Extended Kalman Filter).

Para llevar a cabo las tareas de simulación, la biblioteca plantea y resuelve las ecuaciones del movimiento de mecanismos o máquinas definidos por el usuario, con ayuda de las funciones incluidas en la misma.

La novedad de MBSLIM respecto de otros paquetes de software, es que incluye formulaciones de las ecuaciones del movimiento muy avanzadas, en fase de investigación, que no están disponibles en otros códigos y que permiten resolver problemas muy específicos en los que otros métodos fallan.

El software ha sido desarrollado en Fortran 2003 como una colección de módulos y ha sido verificado en varias plataformas, compiladores y sistemas operativos distintos. La MBSLIM es completamente general y puede simular todo tipo de sistemas multicuerpo tridimensionales. La biblioteca cuenta también con un módulo que permite interactuar con Matlab, enviando datos, lanzando cálculos y recuperando resultados si fuera necesario.

Para las simulaciones más complejas la biblioteca puede hacer uso de la MBSmodel, que es otra biblioteca desarrollada también en el LIM en lenguaje C++ y que permite renderizado 3D y detección de colisiones entre sólidos con geometrías complejas dadas por ficheros de CAD 3D.

Características:

Actualmente la MBSLIM emplea fundamentalmente coordenadas naturales para la definición de los mecanismos a simular, aunque se permite añadir coordenadas relativas de ángulo y distancia (a partir de las coordenadas naturales) para facilitar ciertas tareas de definición de mecanismos, escritura de fuerzas o restricciones de usuario y obtención de resultados.

Las formulaciones dinámicas soportadas actualmente en la MBSLIM son las siguientes:

  • Formulación ALI3-P: index-3 Augmented Lagrangian con proyecciones de velocidades y aceleraciones.
  • Formulación de Matriz R.
  • Formulación de penalizadores.
  • Formulación Hamiltoniana aumentada (Augmented Hamiltonian).

Por motivos de robustez de los algoritmos y debido al habitual carácter stiff de las ecuaciones del movimiento, todos los integradores implementados son implícitos. Para la resolución de los sistemas no lineales se emplean métodos tipo Newton con matrices tangentes aproximadas y exactas, basadas en expresiones analíticas para las derivadas parciales de las ecuaciones del movimiento. Los esquemas soportados actualmente incluyen:

  • Regla trapezoidal implícita de paso simple.
  • Newmark disipativo.
  • HHT (Hilber, Hughes and Taylor).
  • Alfa-generalizado.

La biblioteca incluye un completo módulo de restricciones y además el usuario tiene la posibilidad de escribir sus propias restricciones en subrutinas de usuario y proporcionárselas a la MBSLIM como punteros que el software llamará durante la simulación. Las restricciones de biblioteca incluyen:

  • Restricciones geométricas: permiten simular los pares cinemáticos más habituales en máquinas así como restricciones primitivas típicas entre entidades geométricas.
  • Restricciones reónomas: permiten simular restricciones dependientes del tiempo. Muy útiles para implementar actuadores con un movimiento conocido.
  • Restricciones no holónomas: la biblioteca incluye restricciones no holónomas de rodadura tridimensional.

El software incluye también un completo módulo de fuerzas y asimismo el usuario tiene la posibilidad de definir sus propias fuerzas y proporcionárselas a la MBSLIM. El módulo de fuerzas incluye, entre otros, los siguientes fenómenos:

  • Fuerzas de muelles y amortiguadores tanto lineales como de torsión con diferentes fenómenos como saturación, topes, etc.
  • Fuerzas de contacto normal: permiten simular fuerzas de impacto o contacto permanente entre sólidos mediante varios modelos distintos de tipo Kelvin-Voigt o Hertziano con disipación.
  • Fuerzas de fricción: están disponibles distintos modelos de fricción con posibilidad de fricción seca, viscosa, Stribeck y stiction.
  • Fuerzas de neumático: el código soporta varios modelos de neumático distintos como Pacejka, TMeasy, Dugoff o un modelo básico linealizado con elipse de saturación.
  • Fuerzas de freno: existe un modelo de fuerza de frenado con bloqueo especialmente útil para aplicaciones de automoción o máquinas con frenos.
Para la evaluación de fuerzas de contacto, la MBSLIM puede funcionar conjuntamente con la MBSmodel, que realiza las tareas de detección de colisiones entre sólidos 3D y cálculo de todos las magnitudes geométricas necesarias para alimentar los modelos de contacto de la MBSLIM.

La documentación de la biblioteca está disponible en html y pdf como manual de referencia.

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