Dynamic Response Optimization of Vehicles through Efficient Multibody Formulations and Automatic Differentiation Techniques

El diseño y desarrollo de sistemas de suspensión para vehículos se basa cada día más en el diseño por ordenador y en herramientas de análisis por ordenador, las cuales permiten anticipar problemas y resolverlos por adelantado. El comportamiento y las características dinámicas se calculan con precisión, bajo coste, y recursos y tiempos de cálculo reducidos. Sin embargo, existe una componente iterativa en el proceso, que requiere la definición manual de diseños a través de técnicas “prueba y error”. Esta Tesis da un paso hacia el desarrollo de un entorno de simulación eficiente capaz de simular, analizar y evaluar diseños de suspensiones vehiculares, y de mejorarlos hacia la solución optima mediante la modificación de los parámetros de diseño. La modelización mediante sistemas multicuerpo se utiliza aquí para desarrollar un modelo de autocar con 18 grados de libertad, de manera detallada y eficiente. La geometría y demás características de la suspensión se ajustan a las del vehículo real, así como los demás parámetros del modelo. Para simular la dinámica vehicular, se utiliza una formulación multicuerpo moderna y eficiente basada en las ecuaciones de Maggi, a la que se ha incorporado un visor 3D. Así, se consigue simular maniobras vehiculares en tiempos inferiores al tiempo real. Una vez que la dinámica está disponible, los análisis de sensibilidad son cruciales para una optimización robusta y eficiente. Para ello, se presenta una técnica matemática que permite derivar las variables dinámicas dentro de la formulación, de forma algorítmica, general, con la precisión de la maquina, y razonablemente eficiente: la diferenciación automática. Este método propaga las derivadas con respecto a las variables de diseño a través del código informático y con poca intervención del usuario. En contraste con otros enfoques en la bibliografía, generalmente particulares y limitados, se realiza una comparación de librerías, se desarrolla una formulación híbrida directa-automática para el cálculo de sensibilidades, y se presentan varios ejemplos reales. Finalmente, se lleva a cabo la optimización de la respuesta dinámica del vehículo citado. Se analizan cuatro tipos distintos de optimización: identificación de parámetros, optimización de la maniobrabilidad, optimización del confort y optimización multi-objetivo, todos ellos aplicados al diseño del autocar. Además de resultados analíticos y gráficos, se incluyen algunas consideraciones acerca de la eficiencia. En resumen, se mejora el comportamiento dinámico de vehículos por medio de modelos multicuerpo y de técnicas de diferenciación automática y optimización avanzadas, posibilitando un ajuste automático, preciso y eficiente de los parámetros de diseño. ABSTRACT Each day, the design and development of vehicle suspension systems relies more on computer-aided design and computer-aided engineering tools, which allow anticipating the problems and solving them ahead of time. Dynamic behavior and characteristics are thus simulated accurately and inexpensively with moderate computational times and resources. There is, however, an iterative component in the process, which involves the manual definition of designs in a trialand-error manner. This Thesis takes a step towards the development of an efficient simulation framework capable of simulating, analyzing and evaluating vehicle suspension designs, and automatically improving them by varying the design parameters towards the optimal solution. The multibody systems approach is hereby used to model a three-dimensional 18-degrees-of-freedom coach in a comprehensive yet efficient way. The suspension geometry and characteristics resemble the ones from the real vehicle, as do the rest of vehicle parameters. In order to simulate vehicle dynamics, an efficient, state-of-the-art multibody formulation based on Maggi’s equations is employed, and a three-dimensional graphics viewer is developed. As a result, vehicle maneuvers can be simulated faster than real-time. Once the dynamics are ready, a sensitivity analysis is crucial for a robust optimization. To that end, a mathematical technique is introduced, which allows differentiating the dynamic variables within the multibody formulation in a general, algorithmic, accurate to machine precision, and reasonably efficient way: automatic differentiation. This method propagates the derivatives with respect to the design parameters throughout the computer code, with little user interaction. In contrast with other attempts in the literature, mostly not generalpurpose, a benchmarking of libraries is carried out, a hybrid direct-automatic differentiation approach for the computation of sensitivities is developed, and several real-life examples are analyzed. Finally, a design optimization process of the aforementioned vehicle is carried out. Four different types of dynamic response optimization are presented: parameter identification, handling optimization, ride comfort optimization and multi-objective optimization; all of which are applied to the design of the coach example. Together with analytical and visual proof of the results, efficiency considerations are made. In summary, the dynamic behavior of vehicles is improved by using the multibody systems approach, along with advanced differentiation and optimization techniques, enabling an automatic, accurate and efficient tuning of design parameters

Diferenciación automática de fuerzas en la integración implícita de sistemas multicuerpo

La diferenciación automática es una herramienta informático-matemática muy potente para calcular cualquier tipo de derivadas de funciones. Entre sus ventajas respecto a otras formas de calcular derivadas están su precisión, su eficiencia y su sencillez de implementación. Este artículo trata sobre la implementación de esta técnica en un algoritmo de simulación dinámica de sistemas multicuerpo. Concretamente, se aplica a un integrador implícito que resuelve las ecuaciones diferenciales del movimiento planteadas de forma semirecursiva. Para ello, se ha elegido la librería ADOL-C, que trabaja por sobrecarga de operadores. Los fundamentos de la diferenciación automática, así como la base matemática de la formulación y del integrador implícito, son explicados con cierto detalle. Finalmente, se comparan la diferenciación automática y la diferenciación numérica desde el punto de vista de la eficiencia, y se estudia la influencia que tiene el tamaño del sistema multicuerpo en los tiempos de cálculo de la simulación. En suma, se ofrece una interesante perspectiva para la optimización del cálculo de sistemas multicuerpo y el desarrollo de algoritmos eficientes, así como una posible implementación de la diferenciación automática en el campo de los sistemas multicuerpo

ANÁLISIS DE LA SEGURIDAD ACTIVA EN AUTOBUSES MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE ENSAYOS VIRTUALES

[ES] La seguridad activa de los vehículos se ve afectada por las variaciones de las condiciones de operación y por la degradación de los diferentes sistemas (suspensión, dirección, neumáticos, etc.). Una de la variables de operación que más afecta a la seguridad es la carga y su distribución el en vehículo. En el caso de los vehículos para el transporte colectivo de personas, por razones obvias, las condiciones de carga son muy variable al igual que la distribución de la misma. Este trabajo evalúa la sensibilidad de la respuesta dinámica de este tipo de vehículos, con ello de la seguridad activa, ante diferentes condiciones de operación. Para ello, mediante la utilización de un modelo virtual de autobús, desarrollado en el software de simulación dinámica multicuerpo MSC Admas®, se simularán los ensayos dinámicos propuestos en por la normativa ISO. Se analiza la respuesta del vehículo ante diferentes condiciones operativas (estados de carga, velocidad, etc). En base a estos análisis se identifica la sensibilidad de las condiciones de seguridad, sirviendo de base para proponer soluciones que permitan minimizar o identificar o predecir las situaciones de riesgo en la circulación de este tipo de vehículos.Álvarez Mantaras, D.; Luque Rodríguez, P.; Alonso Villarmarzo, M.; García De Jalón, J.; Callejo Goena, A. (2016). ANÁLISIS DE LA SEGURIDAD ACTIVA EN AUTOBUSES MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE ENSAYOS VIRTUALES. En XII Congreso de ingeniería del transporte. 7, 8 y 9 de Junio, Valencia (España). Editorial Universitat Politècnica de València. 2519-2528. https://doi.org/10.4995/CIT2016.2015.3436OCS2519252

Computation of Independent Sensitivities Using Maggi’s Formulation

Computation of Independent Sensitivities Using Maggi’s Formulatio