Dynamic analysis of mechanical systems with imperfect kinematic joints

Abstract

The primary objective of this research work was to study the influence of the modelization of imperfect kinematic joints on the dynamic behavior of multibody mechanical systems. In order to carry out this investigation, two and three-dimensional methodologies for imperfect kinematic joints with and without lubrication were developed. In the process, different contact-impact force models were revised in face of their suitability to represent the collision between the bodies connected by imperfect joints. The incorporation of friction forces, based upon the Coulomb friction force law, was also discussed together with an effective computational strategy. Further, a general methodology, which accounts for squeeze-film and wedge-film actions, for modeling dynamically loaded journal-bearings was also presented. The cavitation effect was also included. The equations that govern the dynamical behavior of the general multibody mechanical systems incorporate the contact-impact forces due to the collision between the bodies that constitute the imperfect joints, as well as the hydrodynamic forces owing to the lubrication effect. The Newton-Euler’s equations of motion and the generalized Cartesian coordinates were used. Additionally, the Baumgarte stabilization method was implemented in order to maintain the constraint positions and velocities violations under control. An experimental equipment was designed and constructed in order to investigate the dynamic response of multibody mechanical systems with clearance joints. Experiments were conducted to appraise the proposed numerical models. Finally, elementary multibody mechanical systems were used to discuss the assumptions and procedures adopted. The main results obtained from this research work showed that the effect of imperfect joints, namely joints with clearance, can have a predictable nonlinear dynamic response. This feature plays a key role in the analysis, design, and control of multibody mechanical systems.

O presente trabalho teve como objectivo principal estudar a influência da modelação de juntas cinemáticas imperfeitas no comportamento dinâmico de sistemas mecânicos de corpos múltiplos. Para o efeito, foram desenvolvidos modelos bi e tridimensionais para juntas cinemáticas imperfeitas secas e lubricadas. Foram apresentados diversos modelos para a força de contacto-impacto face à necessidade de modelos numericamente estáveis. O efeito de atrito, baseado na lei de Coulomb, foi também incluído juntamente com uma estratégia computacional adequada. Uma metodologia geral para juntas lubrificadas foi desenvolvida. Esta metodologia considera quer os efeitos hidrodinâmicos de esmagamento e de cunha, quer o fenómeno de cavitação do fluido lubrificante. Às equações que regem o comportamento dinâmico dos sistemas mecânicos múlticorpo são adicionadas as forças de contacto-impacto que se desenvolvem devido à colisão entre os corpos que constituem as juntas reais, bem como as forças hidrodinâmicas geradas quando as juntas são lubrificadas. As equações do movimento de Newton-Euler e as coordenadas generalizadas cartesianas foram utilizadas na presente formulação. Foi projectado e construído um equipamento experimental com o intuito de investigar o comportamento dinâmico de sistemas mecânicos com juntas cinemáticas com folga. Os resultados esperimentais obtidos permitiram fazer a aferição dos modelos numéricos desenvolvidos. Finalmente, foram utilizados sistemas mecânicos múlticorpo para aferir os pressupostos e procedimentos adoptados. Como principal conclusão dos resultados obtidos neste trabalho de investigação pode dizer-se que o comportamento dinâmico de sistemas multicorpo com juntas reais, nomeadamente juntas com folga, é altamente não linear. Esta característica desempenha um papel preponderante na análise, no projecto e no controlo dos sistemas mecânicos em geral.