Master's Thesis

Load analysis of the crawler excavator chassis frame using DEM-MBD co-simulation

Final Thesis 3.95 MB Appendix 10.73 MB

Author of thesis: Ing. Vít Vašíř

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Přemysl Pokorný, Ph.D.

Reviewer: Ing. David Vaněk

Abstract:

This master's thesis focuses on analyzing the load on the frame of the ET20 excavator’s crawler undercarriage using DEM-MBD co-simulation. The introductory chapters of the thesis will examine the DEM models of bulk materials used. Subsequently, a DEM model of a bulk material sample collected at Wacker Neuson in Linz will be created and calibrated. A model of the crawler undercarriage will be developed, followed by DEM-MBD co-simulation. Finally, the results of the co-simulation will be compared with the excavator’s operational data.

Keywords:

Crawler chassis, DEM contact models, DEM-MBD co-simulation, DEM calibration of bulk material, MBD model of crawler chassis

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval svou závěrečnou práci a odpověděl na otázky vedoucího i oponenta. Dále odpovídal na dotazy členů zkušební komise a to následovně: 1) Jaký druh pohonu navrhujete pro Váš pásový odvozek? - odpověděl 2) Uvažoval jste o změně vlastností materiálu DEM na vícevrstvé s rozdílnými parametry? - odpověděl 3) Typy podvozků, pásů - odpověděl

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automotive and Material Handling Engineering (N-ADI-P)

Composition of Committee

prof. Štefan Čorňák, Dr. (místopředseda)
doc. Ing. Robert Brázda, Ph.D. (předseda)
Ing. Jaroslav Kašpárek, Ph.D. (člen)
Ing. Antonín Šťastný, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Žlebek (člen)

Supervisor’s report
Ing. Přemysl Pokorný, Ph.D.

Diplomant se ve své práci zabývá analýzou zatížení rámu pásového podvozku rypadla s využitím DEM-MBD kosimulace.
V úvodních kapitolách je zpracován popis základních přístupů k modelování sypkých látek a je zvolen přístup k vlastní simulaci. Formou rešeršního přehledu je popsána DEM simulace.
V přípravné části práce jsou popsány vlastnosti sypkých látek, kde konkrétní hodnoty pro simulaci byly experimentálně ověřeny. Na základě experimentálních dat byl sestaven virtuální model materiálu. Byl vytvořen model pojezdové jednotky a dále již byla připravena vlastní kosimulace.
Samotný průběh simulace  byl poznamenán náročností simulovaného problému, citlivostí na parametry materiálu a numerickou nestabilitu interakce podvozku s podložím.
Přestože práce nedosáhla původně zamýšlených výsledků. Diplomant prokázal své schopnosti při řešení obtíží u takto komplexního problému.
Práce je zpracována poměrně přehledně a je logicky členěna.
Diplomová práce je původní a je plně v souladu se zadáním. Celkově má práce výbornou úroveň. Pan Bc. Vít Vašíř ve své práci prokázal velmi dobré znalosti studovaného oboru a schopnost budoucí samostatné práce. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. David Vaněk

Diplomová práce se zaměřuje na analýzu zatížení rámu pásového podvozku rypadla pomocí DEM‑MBD kosimulace, tedy na poměrně náročné multifyzikální zadání s přesahem do mechaniky sypkých látek, dynamiky více těles a systémové integrace simulačních nástrojů. Autor vytváří DEM model sypkého materiálu, multibody model pásového podvozku a následně se pokouší o obousměrnou DEM‑MBD kosimulaci.

Práce je dobře strukturována a jednotlivým tématům se věnuje v odpovídajícím rozsahu. Úvodní kapitoly přehledně popisují principy DEM i možnosti multifyzikálních vazeb. Pozitivně lze hodnotit také stručnou rešerši studií zaměřených na DEM‑MBD simulace pásových podvozků a jejich využití pro optimalizaci konstrukčních parametrů. Autor se v těchto kapitolách doupouští překlepů a technicky neobratných výjádření, či chyb v podobě nesprávně uvedených jednotek. Nicméně i přesto jsou zmíněné kapitoly velmi dobrým úvodem do řešené problematiky.

Významnou část práce tvoří experimentální charakterizace sypkého materiálu, zahrnující měření sypné hmotnosti, statického sypného úhlu, granulometrie, klasifikace zeminy, odhadu mechanických vlastností zeminy, součinitelů tření, valivého odporu a koeficientů restituce pro různé kontakty. Získaná data autor následně využívá pro definici a kalibraci virtuálního materiálu v Altair EDEM. Tato část práce je velmi dobře popsána a výsledky velmi dobře interpretovány.

Multibody model pojezdové jednotky v prostředí MotionView je zpracován v rozsahu odpovídajícím diplomové práci. Student se mohl detailněji pověnovat topologii konstrukce gumového pásu a popsat tomu odpovídající předpoklady použité prvky při stavbě jeho MBD modelu, definici kontaktu podvozku a pásů stejně tak přenos jakých stupňů volnosti mezi články a okolím probíhá s využitím vazeb a kde je naopak využito kontaktu.

Pro realizaci kosimulace autor dokumentuje opakující se problémy s numerickou stabilitou kosimulace. Tato část je nicméně poctivě popsána a autor se systematicky věnuje hledání příčin a parametrických úprav s cílem kosimulaci stabilizovat.

Vzhledem k přetrvávajícím problémům s DEM‑MBD kosimulací volí autor jako alternativní postup využití funkce SOFT SOIL v MotionView, kdy je podloží reprezentováno empirickým modelem zeminy a interakce pás–půda jsou řešeny čistě v rámci MBD. Tento přístup je výpočetně stabilní a umožňuje realizovat simulace pojezdu, avšak za cenu menší vazby na experimentálně získané parametry sypkého materiálu a bez plného využití připraveného DEM modelu.

Celkově se jedná o diplomovou práci, která se pouští do velmi náročného multifyzikálního zadání na hranici úrovně diplomového studia. Přestože se nepodařilo realizovat simulaci definovaných provozních stavů a DEM‑MBD kosimulaci v podobě, jak byla původně zamýšlena, autor prokazuje pečlivý přístup k experimentům a kalibraci materiálu, schopnost samostatné práce s komplexními simulačními nástroji i kritickou reflexi limitů zvoleného postupu. Drobné jazykové a stylistické nedostatky v textu nemají zásadní vliv na celkovou úroveň předložené práce, která svým rozsahem i náročností odpovídá požadavkům kladeným na diplomovou práci a přináší cenné zkušenosti pro další rozvoj DEM‑MBD přístupů v oblasti pásových podvozků.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Jak byste v pokračoval při dalších snahách o zlepšení stability kosimulace?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová