Modelling and nonlinear dynamics of magneto-electro-mechanical systems
Modelowanie i dynamika nieliniowa układów magneto-elektro-mechanicznych
Project type: Research and development
Keywords: pole magneto-elektro-mechaniczne drgania nieliniowe modelowanie matematyczne bifurkacje chaos
Keywords (english): magneo-electric-mechanical field nonlinear vobration mathematical modelling bifurcations chaos
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 31/08/2018 - 30/08/2022
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: Opus
Project manager: Jan Awrejcewicz
Funding value: 1 899 270,00 PLN
Total project value: 1 899 270,00 PLN
1. Cel prowadzonych badań /hipoteza badawcza: Projekt dotyczy matematycznego modelowania, badań numerycznych, analitycznych i doświadczalnych dynamiki nieliniowej układów mechanicznych poddanych działaniu pól magnetycznych i elektrycznych. Opierając się na już zbudowanych stanowiskach eksperymentalnych i doświadczeniu wnioskodawców w obszarze metod dynamiki nieliniowej i sterowania, planuje się wypełnić niektóre luki w wiedzy z pogranicza takich obszarów nauki jaki mechanika, elektrotechnika, elektronika, automatyka i sterowanie. W ramach projektu będą badane układy i stanowiska doświadczalne różnych konfiguracji wahadeł z oddziaływaniami magnetycznymi i elektrycznymi, silniki krokowe i liniowe oraz sprężyny magnetyczne. Specjalnie stworzone, uproszczone modele matematyczne oddziaływań magnetycznych i elektrycznych zostaną wykorzystane w szybkich i realistycznych symulacjach numerycznych, w badaniu dynamiki nieliniowej oraz w sterowaniu przykładowych układów magneto-elektro-mechanicznych. 2. Zastosowana metoda badawcza /metodyka: Zadania projektu zostaną wykonane z wykorzystaniem bogatego doświadczenia i umiejętności wykonawców oraz wyposażenia Katedry Automatyki, Biomechaniki i Biomechatroniki w obszarach: (A) metod eksperymentalnych - jednostka prowadząca projekt jest dobrze wyposażona w sprzęt do badań doświadczalnych, w tym wyposażenie National Instruments, oraz duża liczbę stanowisk przeznaczonych do badania problemów mechaniki, biomechaniki i mechatroniki; (B) analizy numerycznej - wykonawcy projektu podczas jego realizacji wykorzystają swoje doświadczenie w modelowaniu i symulacjach numerycznych układów mechanicznych i mechatronicznych, identyfikacji parametrów modeli i ich użyciu w przewidywaniu i wyjaśnianiu zjawisk dynamiki zachodzących w układach rzeczywistych oraz w metodach numerycznych analizy klasycznych i nieklasycznych zjawisk bifurkacyjnych; (C) metod analitycznych - kierownik projektu i jego współpracownicy posiadają bogate doświadczenie w stosowaniu metod analitycznych, głównie asymptotycznych, do badania dynamiki układów nieliniowych - jako przykłady zastosowań metod analitycznych, które zamierza się wykorzystać w projekcie, można wymienić: metodę uśredniania Kryłowa Bogoliubowa, metodę wielu skal czy procedurę Mielnikowa, które służą m.in. do badania rezonansów lub wykrywania obszarów chaotycznych. Należy podkreślić, że wyniki projektu będą udokumentowane przede wszystkim poprzez publikacje w czasopismach naukowych z listy JCR. Przewiduje się, że podczas realizacji projektu zostanie opublikowanych co najmniej 25 artykułów o łącznym wskaźniku „Impact Factor” równym 35. Wyniki poprzednich projektów kierownika obecnego projektu gwarantują osiągniecie tego celu. 3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki Współczesny rozwój nauki i technologii wymaga interdyscyplinarnego podejścia zarówno podczas badań o charakterze czysto naukowym jak i prac nad rozwojem nowych technologii. Złożoność świata rzeczywistego i systemów rzeczywistych powoduje konieczność nowych metodologii i podejść opartych na interdyscyplinarnej wymianie idei, pomysłów i konfrontacji różnych gałęzi nauki (mechaniki, fizyki, matematyki stosowanej, elektromechaniki i elektrotechniki, automatyki i teorii sterowania) podczas tworzenia modeli matematycznych procesów i ich sterowania. Dokonany przegląd literatury dowodzi, że podjęty w projekcie temat jest aktualny i o dużym znaczeniu zarówno z punktu widzenia czystej nauki, jak i potencjalnych zastosowań. Proponowana tematyka badawcza obejmuje grupę powiązanych ze sobą problemów ilustrujących oryginalne podejście metodologiczne mające na celu wypełnienie luk i usunięcie niepewności w wiedzy dotyczącej nieliniowej dynamiki układów magneto elektro-mechanicznych. Należy podkreślić, że projekt ma na celu badania podstawowe dotyczące dynamiki nieliniowej z wykorzystaniem koncepcji pochodzących z mechaniki, mechatroniki i fizyki
1. Aim of the research project /research hypothesis: The project is focused on mathematical modelling, numerical, analytical and experimental investigations of non-linear dynamics of mechanical systems subjected to influence of magnetic and electric fields. Using the already prepared experimental rigs and experience of the applicants in the field of methods of nonlinear dynamics and control, it is planned to fill the gaps in sufficient knowledge and uncertainties in the area lying between different disciplines of mechanics, electric and electronical engineering, automation and control. In frame of the project there will be investigated systems and experimental rigs of different configurations of pendula with magnetic and electric interactions, stepper and linear motors as well as magnetic springs. Special simplified mathematical models of magnetic and electric interactions will be used in fast and reliable numerical simulations, analysis of nonlinear dynamics and control of exemplary magneto-electro-mechanical systems. 2. Research methodology: The project tasks will be performed using the rich experience and skills of the performers as well as equipment of the Department of Automation, Biomechanics and Mechatronics in the following areas: (A) experimental methods - department running the project is well equipped with research apparatus, including National Instruments equipment, as well as possesses large number of experimental rigs for investigation of particular problems of mechanics, biomechanics and mechatronics; (B) numerical analysis - the project’s executors during its realization will make a use of their great experience in the field of modelling and numerical simulations of mechanical and mechatronic systems, parameter’s identification, the use of mathematical models in prediction and explanation of nonlinear dynamics phenomena occurring in real processes, as well as numerical methods of classical and non-classical bifurcation; (C) analytical methods - project’s head and his co-workers are highly experienced in the application of analytical, mainly asymptotic methods, to analysis of non-linear systems’ dynamics - as examples of analysis, which we are going to apply during realization of particular tasks, one can enumerate: Krylov-Bogolyubov averaging method, multiple scale method or Melnikov’s technique used for resonance analysis and chaotic zones detection. It should be noted that the results of this project will be mainly documented in publications in scientific journals from JCR list. We predict to publish during realization of the project at least 25 papers of the total impact factor equal to 35. Results of the previous projects of the current project’s head guarantee realization of this plan. 3. Influence of the expected results on science development: An immense development of today’s sciences and technology requires matching and mutual feedbacks of both research branches to guarantee today’s high level of living of our civilization. However, complexity of evolution behaviour of real-world systems needs novel methodological approaches spanned by interdisciplinary exchange of ideas, matching of different sciences (mechanics, physics, applied mathematics, electric and electronical engineering, automations and control, etc.) and dedicated approaches aimed on high level deep modelling of the processes behaviour including on-line control of the studied processes. The presented literature survey prove that topic undertaken by the project is a current research topic and of great importance, both from the point of view of pure science as well as applications in technology. The proposed project embraces a valuable self-contained group of problems exemplifying the original methodological approach to fill existing gaps of sufficient knowledge and/or uncertainties in non-linear dynamics exhibited by the studied electro-magneto-mechanical systems. It should be emphasized that our project is aimed on the fundamental studies matching non-linear dynamical phenomena with a help of the concepts coming from mechanics, mechatronics and physics.
Go back