完整系统的多刚体系统离散时间传递矩阵法研究

基于多刚体系统离散时间传递矩阵法，采用提高计算精度的方法，研究具有大运动、非线性特征的完整系统在平面、空间中的动力学响应。提出了对部分变量重新赋值的违约修正方法，计算机仿真表明了其有效性。多刚体系统离散时间传递矩阵法不须进行违约修正，体现了该方法建模灵活性较强、程式化程度较高的优点。     

多体系统传递矩阵法研究进展

作为一种多体系统动力学新方法, 多体系统传递矩阵法由于其无需系统总体动力学方程和快速计算的特点, 已被广泛用于各种多管火箭、自行火炮、舰炮等复杂大型机械系统动力学分析与设计. 本文介绍了该方法的研究进展, 包括: 线性多体系统传递矩阵法、多体系统离散时间传递矩阵法、二维系统传递矩阵法、受控多体系统传递矩阵法、多体系统传递矩阵法和通常动力学方法的混合方法等, 给出了该方法解决自行火炮、多管火箭武器多体系统动力学的重大工程应用实例.      

多柔体系统响应计算的子循环计算方法研究

过去近30年中,柔性多体系统动力学研究取得了巨大的进展,人们的兴趣集中在柔性多体系统建模、计算及实验研究等3个方面. Belytschko等于1979年提出的子循环算法已经成功地应用于结构动力响应的有限元计算中,然而有关柔性多体动力学的子循环算法研究尚未见报道. 该文提出了一种适合于柔性多体系统响应计算的中心差分类子循环算法,在将非线性微分-代数混合方程组(DAEs)缩并为纯微分方程组(ODE)的基础上,推导出快、慢变分量的同步更新公式和子步更新公式;在变量的数值积分过程中,采用能量平衡计算检查算法的稳定性;算例结果表明该算法可以在保持合适的精度要求下,有效地提高响应的计算效率;对积分步长进行摄动修正可以保持算法的稳定性.      

多刚体系统动力学的正则方程及数值解法

本文研究了多刚体系统动力学的正则方程,并由此论证了多刚体系统动力学方程的运动稳定性态.在比较不同数值积分方法的基础上,得出结论:基于正则方程的数值积分方法能较好地保证计算精度.     

具有奇异位置的多体系统动力学方程的隐式算法

本文研究了在运动过程中具有奇异位置的多体系统动力学方程的隐式算法，给出了隐式算法所用的Ｊａｃｏｂｉ矩阵，并建立了该矩阵中各子矩阵间的计算关系，提高了计算效率，计算结果表明隐式算法的计算速度和精度明显优于显式算法。     

考虑弹簧阻尼作动器解析雅可比矩阵的多刚体动力学分析

弹簧-阻尼-作动器(spring-damper-actuator,SDA)是多体系统中常见的力元,在工程领域中有着广泛的应用.采用绝对坐标方法建立的多体系统动力学控制方程通常是复杂的非线性微分-代数方程组.为了保证数值解的精度和稳定性,通常需要采用隐式算法求解动力学方程,而雅可比矩阵的计算在隐式数值求解过程中至关重要.对于含有SDA的多体系统,SDA造成的附加雅可比矩阵是与广义坐标和广义速度相关的高度非线性函数.目前的很多研究工作专注于广义力向量的计算,然而对附加雅克比矩阵的计算则少有关注.针对含SDA的多刚体系统进行动力学分析,首先基于Newmark算法研究其在动力学方程求解中的雅可比矩阵的构成形式;然后推导SDA的广义力向量对应的附加雅可比矩阵,其中包括广义力向量对广义坐标和对广义速度的偏导数矩阵.最后通过两个数值算例研究附加雅可比矩阵对动力学分析收敛性的影响;数值分析表明:当SDA的刚度、阻尼和作动力数值较大时,SDA导致的附加雅可比矩阵对数值解的收敛性有重要影响;当考虑SDA对应的附加雅可比矩阵时,动力学分析可以以较少的迭代步实现收敛,从而减少分析时间.     

基于分区加速和总体共轭梯度法的耦合界面数据传递问题研究

对于耦合动力学问题的分析过程,在界面上需频繁进行数据交换。为此,基于紧支径向基函数和多项式基函数推导了界面数据传递的插值算法,给出了传递矩阵的具体形式。通过分析时间复杂度,找出该算法在大节点量时效率不高的原因在于径向基矩阵的构造和传递矩阵的计算。为加快径向基矩阵的构造速度,提出分区加速处理以提高相关节点的搜索效率;为避免传递矩阵求解过程中的求逆运算,将其转化为多右端项的大型稀疏对称线性方程组问题,引入多右端项的总体共轭梯度迭代方法求解,并讨论了初始估计矩阵的选取方法。数值算例结果表明,结合使用分区加速原理和总体共轭梯度迭代方法,可在不损失插值精度的前提下显著提高求解效率。     

矩阵摄动理论在六轴机车横向运动稳定性分析中的应用

本文提出了一种分析机车横向运动稳定性的方法,即利用复膜态的矩阵摄动法来计算临界速度,该方法避免了反复计算矩阵的特征值从而可节约大量的计算时间,对矩阵摄动法计算精度的研究结果表明,该方法的的精度是足够的。     

用可退化有限单元进行平面连续体拓扑优化

提出一种基于准则法的平面连续体结构拓扑优化方法。该方法根据单元在结点处的厚度或应力值决定删除单元或将矩形单元退化为三角单元 ,使迭代过程更加平稳。在一定的计算量下 ,提高了计算精度 ,减少了迭代次数 ,使优化结构的边界更加光顺。该方法可同时应用于等厚度和变厚度平面连续体的拓扑优化问题。本文推导了变厚度矩形有限单元的刚度矩阵 ,并给出了相应的拓扑优化迭代方法     

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述多体系统的牵连坐标轴系统。该坐标轴系统由惯性参考系、牵连坐标系、物体坐标系及单元坐标系组成，从而实现了对刚体平动、刚体转动及弹性运动的分解，较好地消除了由于刚体大角度转动而产生的刚弹耦合非线性特性，以有限元方法为基础，应用拉格朗日方程建立了在该坐标系下的刚弹耦合约束多体系统的动力方程。该方程具有形式简洁、易于推导和编程等优点，本文并对方程的数值解法进行了研究，提出求解的广义坐标分块法，最后给出了一个典型多体系统的数值算例。     

Dynamic simulation of liquid-filled flexible multibody systems via absolute nodal coordinate formulation and SPH method

A new computation method is proposed to study the coupled dynamics of a partially liquid-filled flexible multibody system, where the liquid is modeled by using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method and the flexible bodies are described by using the Absolute Nodal Coordinate Formulation (ANCF). Extra virtual particles are introduced and embedded in the liquid neighboring the rigid or flexible boundaries in order to prevent field particles from penetrating the boundary and force them to follow the deformation of flexible boundary. The interaction forces between the liquid and the flexible multibody system are transmitted by the virtual particles. The domain decomposition is used to improve the efficiency of interaction detection in SPH computation. A predictor-corrector scheme is used to solve the governing equations of liquid discretized by SPH particles. The generalized-alpha method based on sparse matrix storage skill is used to solve a huge set of dynamic equations of the multibody system. The OpenMP+OpenACC based parallel computation skills are embedded in the iteration processes to speed up the computation efficiency. Finally, three numerical examples are given to validate the proposed computation method.     

带约束非线性多体系统动力学方程数值分析方法

Lagrange方法是建立带约束多体系统动力学方程的普遍方法之一 ,其方程的形式为微分 代数方程组 ,数值计算与数值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法。本文利用缩并法给出了带约束多体系统动力学方程的隐式数值计算方法和Lyapunov指数的计算方法。将数值仿真、Lya punov指数计算和Poincare映射有机结合 ,分析非线性多体系统动力学行为。通过一个算例 ,说明该方法的有效性     

Cyclo-symmetric modal synthesis of rotating bladed disc system

The natural mode analysis of bladed disc system at an arbitrary constant rotational speed is investigated in this paper and the large deformation effect caused by the pretorsion of the blades is considered. The computational method of group theory is employed in substructure technique and equilibrium position and stress distribution of the bladed disc system in centrifugal field are obtained through simultaneous iteration, furthermore, the initial stress stiffness matrix, the large deformation stiffness matrix and the corresponding rotating natural frequencies and modal shapes are determined. Because the large deformation effect of the blades is considered and all the interface degrees of freedom between the substructures can be eliminated in the present method, the computation work can be cut down remarkably under the precondition that the computational accuracy is ensured. This shows that, in general, the substructure simultaneous iteration method presented in this paper has a good convergency, thus greatly reducing the computation work.     

转动盘一片系的循环对称模综

本文考察在任意恒定转速下叶片/轮盘系的固有模态分析,计及叶片预扭所引起的大变形效应.把群论算法用于子结构技术,通过联立迭代求出叶片/轮盘系在离心场中的平衡位置和应力分布,进而确定初应力刚度矩阵、大变形刚度矩阵,以及相应的动频模态.由于本方法考虑了叶片大变形的影响,且可消去子结构间的全体内连自由度。从而在确保精度的前提下,显著地压缩了计算的规模.实践证明本文提出的子结构联立迭代法有很好的收敛性,它使计算量有巨大的节省.     

Comparative study on multibody vehicle dynamics models based on subsystem synthesis method using Cartesian and joint coordinates

The subsystem synthesis method has been developed in order to improve computational efficiency for a multibody vehicle dynamics model. Using the subsystem synthesis method, equations of motion of the base body and each subsystem can be solved separately. In the subsystem synthesis method, various coordinate systems can be used and various integration methods can be applied in each subsystem, as long as the effective mass matrix and the effective force vector are properly produced. In this paper, comparative study has been carried out for the subsystem synthesis method with Cartesian coordinates and with joint relative coordinates. Two different integration methods such as an explicit integrator and an explicit implicit integrator are employed. In order to see the accuracy and computational efficiency from the different models based on the different coordinate systems and different integration methods, a rough terrain run simulations has been carried out with a 6 × 6 off-road multibody vehicle model.     

多刚体系统动力学的子系统递推法

本文采用递归推导并定义铰基矢阵得到以相对速度或伪速度表示的动力学方程。对非树系统利用回路转换矩阵及铰基矢阵自动建立约束方程,并用奇异值分解缩聚法得到以独立伪速度为变量的动力学方程。并导出递推计算公式便于程序执行。相应的通用程序SNERM已产生。     

约束多体系统独立广义坐标的数值选取

多体系统的完整约束定义了一个嵌入到欧氏空间的微分流型,多体系统独立的广义坐标选取问题等价于该流型的坐标选取问题。据此,本文提出了一种新的独立广义坐标数值选取理论,可将多体系统的微分-代数混合型运动方程转化为较易求解的纯微分方程,并且不以求解非线性方程组作为必须的手段。     

CONSTRAINT VIOLATION STABILIZATION OF EULER-LAGRANGE EQUATIONS WITH NON-HOLONOMIC CONSTRAINTS

Two constraint violation stabilization methods are presented to solve the Euler Lagrange equations of motion of a multibody system with nonholonomic constraints. Compared to the previous works, the newly devised methods can deal with more complicated problems such as those with nonholonomic constraints or redundant constraints, and save the computation time. Finally a numerical simulation of a multibody system is conducted by using the methods given in this paper.