正交各向异性弹塑性摩擦接触问题的数值求解

采用正交各向异性摩擦定律对三维弹塑性摩擦接触问题进行分析,基于参变量变分原理,经过有限元离散,将问题化为线性互补问题模型,之后给出一个求解互补问题的非内点光滑化算法．对三维接触问题,滑动方向的确定一直是个难点,为此,该文采用作者提出的组合规划法和迭代法对各向异性摩擦本构模型进行分析,数值结果说明了模型与算法的正确性。     

大变形中摩擦接触问题的数值模拟及应用

大变形的摩擦接触是复杂的非线性问题 ,本文介绍了一种处理摩擦接触问题的数值方法。采用接触单元技术模拟接触界面 ,基于弹塑性理论形式的非经典Coulomb摩擦定律及罚函数方法建立了摩擦接触的增量本构关系。结合大变形的增量分析格式给出了积分摩擦接触本构方程的回映方法。这种处理摩擦接触问题的方法计算简单、使用方便。给出的计算实例及应用实例说明了方法的精度与稳定性     

解三维摩擦接触问题的一个二阶锥线性互补法

针对三维摩擦接触问题的求解，给出了一种基于参变量变分原理的二阶锥线性互补法. 首先， 基于三维Coulomb摩擦锥在数学表述上属于二阶锥的事实，利用二阶锥规划对偶理论，建立 了三维Coulomb摩擦接触条件的参变量二阶锥线性互补模型，它是二维Coulomb摩擦接触条 件参变量线性互补模型在三维情形下的自然推广；随后，利用参变量变分原理与有限元方法， 建立了求解三维摩擦接触问题的二阶锥线性互补法. 较之于将三维Coulomb摩擦锥进行显式 线性化的线性互补法，该方法无需对三维Coulomb摩擦锥进行线性化，因而在保证精度的 前提下所解问题的规模要小很多. 最后通过算例展示了该方法的特点.     

正交各向异性摩擦接触分析的一个二阶锥线性互补法

建立了用于各向异性摩擦接触分析的一个新型互补模型:二阶锥线性互补模型.通过与弹塑性力学的类比,并引入"线性二阶锥互补"的概念,将正交各向异性摩擦接触定律表达为一个二阶锥线性互补模型.在此基础上,在参变量变分原理的框架下,建立了正交各向异性摩擦接触问题的有限元列式.由于避免了对摩擦锥的显式线性化,使得该文模型的变量个数较线性互补模型小很多,而解的精度又高很多.文末通过算例,说明了方法对于正交各向异性摩擦接触分析的有效性.     

基于虚功原理的弹性接触问题的线性互补方法

在将接触条件表为具有惩罚因子的线性互补形式后，本文详细推导了适用于弹性接触问题的虚功方程，在此基础上，结合有限元离散技术，简捷地导出了一种求解有摩擦弹性接触问题的线性互补方法；这种方法不必迭代，在无卸载时，只要一个增量步即可求得解答，计算效率较高，文末通过实例，说明了方法的正确性及有效性。     

接触问题的互补变分原理及非线性互补模型

给出了接触问题的互补虚功原理,互补能量原理及变分不等式等变分提法,并讨论了三类提法的关系。其此建立了有限维非线性互补模型并给出解的存在唯一性定理。文中还阐明了有,无摩擦接触问题之间以及二维和三维有摩擦接触问题之间的本质区别。     

接触问题的互补变分原理及非线性互补模型

给出了接触问题的互补虚功原理，互补能量原理及变分不等式等变分提法，并讨论了三类提法的关系。其此建立了有限维非线性互补模型并给出解的存在唯一性定理。文中还阐明了有，无摩擦接触问题之间以及二维和三维有摩擦接触问题之间的本质区别。     

虚功原理的变分不等方程及在物理非线性问题中的应用

文中给出了虚功原理的另一形式——适应于不同本构关系的物理非线性和边界非线性的变分不等式,使用增量理论可以归结为求解线性互补方程的数值计算方法,     

多体系统接触碰撞问题的牛顿-欧拉线性互补方法

基于非光滑动力学方法的多体系统接触碰撞分析是目前多体系统动力学的研究热点.本文采用牛顿-欧拉方法建立多体系统接触、碰撞问题的动力学模型,给出一种牛顿-欧拉型线性互补公式.该建模方法与目前一般采用的拉格朗日建模方法的不同之处是约束条件中除了库仑摩擦、单边约束之外还含有光滑等式约束.在建立系统动力学模型时,首先解除摩擦约束和单边约束得到原系统对应的基本系统.牛顿-欧拉方法采用最大数目坐标建立基本系统的动力学方程,由于坐标不相互独立,因此基本系统中带有等式约束,其数学模型为一组微分代数方程.借助约束雅可比矩阵,在基本系统微分代数方程中添加摩擦接触和单边约束对应的拉氏乘子,就可以得到系统全局运动的具有变拓扑结构特征的动力学方程,再结合非光滑约束互补条件便可构成完备的系统动力学模型.完备的动力学模型由动力学微分方程以及等式约束和不等式约束组成.线性互补公式采用分块矩阵形式进行推导,简化了推导过程.数值计算采用基于线性互补的时间步进算法.时间步进算法是目前流行的非光滑数值算法,其突出特点是可以免去数值积分中繁琐的事件检测过程,而数值积分过程中通过对线性互补问题的求解可以确定系统的触-离状态.通过对典型的曲柄滑块间隙机构进行数值分析,验证本文方法的有效性.     

弹塑性问题的边界元—流动因子线性互补解

1.前言尽管求解弹塑性问题已有许多方法,但一般来说,如不采用迭代法则不可避免地会产生有效应力偏离屈服面的“漂移”现象.从近代发展起来的变分不等式和参变量变分原理出发所建立起来的有限元方程,较成功地把数学规划理论应用到非线性本构关系的应力分析中.本文方法与以往方法的最大区别在于,将边界元方程与弹塑性屈服准则联立,导出了按增量求解的线性互补方程.因此对任一荷载增量步,通过求解一次线性互补方程,将使边界元方程和屈服准则同时满足,从而既无须迭代又避免了有效应力的漂移.并且也适用于非法向的屈服流动、随机强化模型及Drucker-Prager 模型等.与文献[1-4]的     

空间接触问题的参变量方法

本文借助于参变量方法给出了空间接触问题的解法.空间接触单元刚度矩阵是通过接触压力和摩擦力的惩罚函数表示式而引入的.两种空间接触本构关系(圆锥型和棱锥型)可以类似于弹塑性问题的模型得到,一定的数学技巧可使惩罚因子最后得以消去,而获得参变量线性互补问题.两个实例证明了这个方法的有效性.     

Quadratic programming with parametric vectors in three-dimensional contact problems

The present study is concerned with 3-D contact problems by parametric quadratic programming(PQP). The stiffness matrix of a 3-D contact element is introduced by means of penalty function expression of the contact pressure and frictional force, and two constitutive relations of 3-D contact problems can be obtained, similar to elasto—plastic problems. The penalty factors can be eliminated by using a definite numerical technique, so that a parametric linear complementary problem is obtained. As an application of the theory presented, some numerical examples are illustrated.     

RESEARCH ON MODELING AND NUMERICAL METHOD OF FREE STANDING BODY ON PLANAR RIGID MULTIBODY DYNAMICS

采用非光滑多体系统动力学的方法研究浮放物体与基础平台组成的多体系统，建立其非光滑接触的动力学方程与数值算法.浮放物体由主体部分和支撑腿组成，其间通过含黏弹性阻力偶的转动铰连接.支撑腿与基础平台间的接触力简化为接触点的法向接触力和摩擦力，采用扩展的赫兹接触力模型描述接触点的法向接触力，采用库伦干摩擦模型描述其摩擦力.采用笛卡尔坐标系下的位形坐标作为系统的广义坐标.首先，将基础平台运动看作非定常约束，用第一类拉格朗日方程建立系统的动力学方程，并采用鲍姆加藤约束稳定化的方法解决违约问题.随后给出基于事件驱动法和线性互补方法的数值算法.当相对切向速度为零时，构造静滑动摩擦力的正负余量和正、负向加速度的互补关系，从而将接触点黏滞——滑移切换的判断以及静滑动摩擦力的计算转化为线性互补问题进行求解，并采用Lemke算法求解线性互补问题.最后，通过数值仿真选择合适的步长；通过仿真结果说明浮放物体运动中存在的黏滞-滑移切换现象以及基础平台运动、质心位置对浮放物体运动的影响.     

接触分析的光滑模型及迭代算法

利用变分不等式和基于信息熵的凝聚函数把有摩擦接触问题模型化为一个标准的凸二次规划问题,极大地简化了这一复杂的问题,同时引入摩擦方向约束并构造了以无摩擦解为初值的迭代算法,在较摩擦系数时计算也能保证收敛,算例表明算法高效可靠。     

NON-INTERIOR SMOOTHING ALGORITHM FOR FRICTIONAL CONTACT PROBLEMS

A new algorithm for solving the three-dimensional elastic contact problem with friction is presented. The algorithm is a non-interior smoothing algorithm based on an NCP-function. The parametric variational principle and parametric quadratic programming method were applied to the analysis of three-dimensional frictional contact problem. The solution of the contact problem was finally reduced to a linear complementarity problem, which was reformulated as a system of nonsmooth equations via an NCP-function. A smoothing approximation to the nonsmooth equations was given by the aggregate function. A Newton method was used to solve the resulting smoothing nonlinear equations. The algorithm presented is easy to understand and implement. The reliability and efficiency of this algorithm are demonstrated both by the numerical experiments of LCP in mathematical way and the examples of contact problems in mechanics.     

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.      

Modeling intermittent contact for flexible multibody systems

This paper consists of two parts. The first part presents a complementarity based recursive scheme to model intermittent contact for flexible multibody systems. A recursive divide-and-conquer framework is used to explicitly impose the bilateral constraints in the entire system. The presented approach is an extension of the hybrid scheme for rigid multibody systems to allow for small deformations in form of local mode shapes. The normal contact and frictional complementarity conditions are formulated at position and velocity level, respectively, for each body in the system. The recursive scheme preserves the essential characteristics of the contact model and formulates a minimal size linear complementarity problem at logarithmic cost for parallel implementation. For a certain class of contact problems in flexible multibody systems, the complementarity based time-stepping scheme requires prohibitively small time-steps to retain accuracy. Modeling intermittent contact for this class of contact problems motivated the development of an iterative scheme. The second part of the paper describes this iterative scheme to model unilateral constraints for a multibody system with relatively fewer contacts. The iterative scheme does not require a traditional complementarity formulation and allows the use of any higher order integration methods. A comparison is then made between the traditional complementarity formulation and the presented iterative scheme via numerical examples.     

含摩擦与碰撞平面多刚体系统动力学线性互补算法

基于接触力学理论和线性互补问题的算法, 给出了一种含接触、碰撞以及库伦干摩擦, 同时具有理想定常约束(铰链约束) 和非定常约束(驱动约束) 的平面多刚体系统动力学的建模与数值计算方法. 将系统中的每个物体视为刚体, 但考虑物体接触点的局部变形, 将物体间的法向接触力表示成嵌入量与嵌入速度的非线性函数,其切向摩擦力采用库伦干摩擦模型. 利用摩擦余量和接触点的切向加速度等概念, 给出了摩擦定律的互补关系式; 并利用事件驱动法, 将接触点的黏滞-滑移状态切换的判断及黏滞状态下摩擦力的计算问题转化成线性互补问题的求解. 利用第一类拉格朗日方程和鲍姆加藤约束稳定化方法建立了系统的动力学方程, 由此可降低约束的漂移, 并可求解该系统的运动、法向接触力和切向摩擦力, 还可以求解理想铰链约束力和驱动约束力. 最后以一个类似夯机的平面多刚体系统为例, 分析了其动力学特性, 并说明了相关算法的有效性.     

Analysis of Tracked-Vehicle Suspension Systems Using a Frictional Contact Problem Formulation

ABSTRACT

A new procedure for analysis of tracked-vehicle suspension systems under a track length constraint, based on a frictional contact problem formulation, is presented. Impenetrability, inextensibility, unilateral behavior of track, and friction conditions are expressed in complementarity form. The resulting problem is then amenable to efficient numerical algorithms, such as the modified simplex method. This approach is demonstrated through numerical applications to a model of a tracked-vehicle suspension system.