多体系统摩擦接触问题的DAE-LCP方法

当多体系统的约束全部是摩擦接触时, 其动力学问题可归结为一个常微分方程(ordinary differential equation, ODE)与线性互补问题(linear complementarity problem, LCP)的混合动力学问题. 如果除了摩擦接触之外还增加了光滑的双边约束, 则需要将 ODE-LCP混合动力学模型推广为微分代数方程(differential algebra equation, DAE)与LCP的混 合动力学模型. 该文采用DAE与LCP混合动力学方法求解不考虑碰撞 但同时含有持续摩擦接触及光滑等式约束的多体系统动力学问题. 在建立系统动力学模型时, 首先将含摩擦的约束从系统中移去得到基本动力学系统. 由于基本系统中带有等式约束, 所 以基本系统的动力学方程为一组DAE. 结合基本系统的DAE与约束的互补条件便可以得到 DAE-LCP混合动力学模型. 数值计算采用基于DAE与LCP的步进(time-stepping)算法, 将 系统动力学方程及其约束离散化并转化为一个混合 LCP进行求解. 该算法无需进行滞-滑状态检测, 避免了事件检测导 致的繁复计算. 利用所提方法对典型机构的非光滑非线性特征进行了数值分析, 验证了该文方法的正确有效性.     

非光滑多体系统动力学数值算法的研究进展

非光滑多体系统动力学数值计算方法是多体系统动力学研究的重要内容之一. 本文介绍了近年来含摩擦与碰撞的非光滑多体系统动力学数值算法方面的研究进展. 首先, 讨论了库仑摩擦模型和修正的库仑摩擦模型, 以及具有单边和双边约束的多体系统中法向约束力的特点. 其次, 回顾了基于连续模型和非连续模型的多体系统动力学方程的数值计算方法, 详细介绍了基于互补概念的非光滑多体系统动力学的事件驱动法和时间步进法, 分析比较了相关的数值算法. 最后, 指出了一些需要进一步研究的问题.     

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.     

浮放物体平面多刚体动力学建模与算法研究

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.     

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.      

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.     

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.     

含摩擦滑移铰平面多刚体动力学的HLCP方法

给出了一种基于水平线性互补问题(HLCP)的双边约束滑移铰含摩擦平面多刚体系统动力学的数值计算方法.首先从系统的约束方程出发建立了每个双边约束中两个约束面的法向约束力的互补关系;并利用摩擦余量的概念给出了库仑摩擦定律的互补表达式.然后针对事件驱动算法将该类非光滑多体系统动力学方程中双边约束中法向约束力切换和系统"stick-slip"运动状态切换的判断统一成HLCP的求解,通过定义一组变维数矩阵给出了HLCP形式的一般表达式,便于编程计算.最后通过一个两自由度多体系统的算例验证了该方法的有效性.     

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。     

多体系统Euler-Lagrange方程组的一类新数值分析方法

针对受完整约束的多体系统,首先指出其动力学Euler-Lagrange方程组是高指标(index>2)的微分代数方程组;不同于传统的直接增广法和直接消去法,文中提出了一类将微分代数方程直接视为非线性代数方程组求解的新的数值分析方法;最后,以典型的单摆模型为例给出了新算法与其他方法的比较,结果表明新算法优于BDF方法及违约修正方法。     

Application of the nonsmooth dynamics approach to model and analysis of the contact-impact events in cam-follower systems

The dynamic modeling and analysis of planar rigid multibody systems that experience contact-impact events is presented and discussed throughout this work. The methodology is based on the nonsmooth dynamics approach, in which the interaction of the colliding bodies is modeled with multiple frictional unilateral constraints. Rigid multibody systems are stated as an equality of measures, which are formulated at the velocity-impulse level. The equations of motion are complemented with constitutive laws for the forces and impulses in the normal and tangential directions. In this work, the unilateral constraints are described by a set-valued force law of the type of Signorini??s condition, while the frictional contacts are characterized by a set-valued force law of the type of Coulomb??s law for dry friction. The resulting contact-impact problem is formulated and solved as an augmented Lagrangian approach, which is embedded in the Moreau time-stepping method. The effectiveness of the methodologies presented in this work is demonstrated throughout the dynamic simulation of a cam-follower system of an industrial cutting file machine.     

Modeling and analysis of rigid multibody systems with driving constraints and frictional translation joints

An approach is proposed for modeling and anal- yses of rigid multibody systems with frictional translation joints and driving constraints. The geometric constraints of translational joints with small clearance are treated as bilat- eral constraints by neglecting the impact between sliders and guides. Firstly, the normal forces acting on sliders, the driv- ing constraint forces （or moments） and the constraint forces of smooth revolute joints are all described by complementary conditions. The frictional contacts are characterized by a set- valued force law of Coulomb＇s dry friction. Combined with the theory of the horizontal linear complementarity problem （HLCP）, an event-driven scheme is used to detect the transi- tions of the contact situation between sliders and guides, and the stick-slip transitions of sliders, respectively. And then, all constraint forces in the system can be computed easily. Secondly, the dynamic equations of multibody systems are written at the acceleration-force level by the Lagrange multiplier technique, and the Baumgarte stabilization method is used to reduce the constraint drift. Finally, a numerical example is given to show some non-smooth dynamical behaviors of the studied system. The obtained results validate the feasibility of algorithm and the effect of constraint stabilization.     

车辆纵向非光滑多体动力学建模与数值算法研究

在建立车辆纵向多体系统的动力学模型中, 将车身与车轮视为刚体, 两者通过减振器链接; 将传动系统视为一个圆盘通过扭簧和阻尼器与驱动轮连接; 将车轮与路面间的接触力简化为法向约束力、摩擦力和滚阻力偶,其中摩擦力的模型采用库仑干摩擦模型. 采用笛卡尔坐标作为该系统的广义坐标用于描述该系统的位形, 给出系统单双边的约束方程, 应用第一类拉格朗日方法建立了系统的动力学方程. 由于摩擦与滚阻的非光滑性, 使得该系统动力学方程不连续. 为便于计算, 建立了车轮与路面接触点的相对切向加速度与摩擦力余量的互补条件、车轮角加速度与滚阻力偶余量的互补条件, 以及车轮轮心法向加速度与路面法向约束力的互补条件. 将接触—分离、黏滞—滑移的判断问题转化成线性互补问题的求解, 并给出了具有约束稳定化的基于事件驱动法的数值计算方法. 最后, 应用该方法对车辆纵向多体系统进行了仿真, 分析了输出扭矩、摩擦及滚阻系数对其动力学行为的影响.     

柔性多体系统动力学实验研究综述

介绍了国内外柔性多体系统动力学实验研究现状,分为三个方面,即理论模型验证实验、 动力学特性的实验研究和其它实验.柔性多体系统动力学建模理论的发展经历了3个阶段： 运动-弹性动力学(KED)方法、传统混合坐标方法和计及了动力刚化效应的各种非线性理论. 关于这些理论的模型验证实验均在本文中作了重点介绍.文中还对柔性多体系统动力学性态 的研究实验也作了介绍,包括系统模态特性和共振等非线性力学行为.关于机械臂控制和碰 撞研究实验虽有提及,但不作为重点.随后,着重介绍了柔性体弹性振动位移的测量和阻尼 因素的处理这两个在实验不可避免但又难以解决的问题,尤其是结构阻尼和大范围运动引起 的空气阻力.最后指出了今后的研究方向.文中对一些较为重要的实验装置也着重予以介绍, 并给出了部分实验图片及数据曲线,以给读者一个更好的理解和参考.     

双面约束多点摩擦多体系统的建模和数值方法

提出了一种建立具有固定双面约束多点摩擦的多体系统动力学方程的方法.用笛卡尔坐标阵描述系统的位形,根据局部方法的递推关系建立系统的约束方程,应用第一类Lagrange方程建市该系统的动力学方程,使得具有摩擦的约束面的法向力与Lagrange乘子一一对应,便于摩擦力的分析与计算,并用矩阵形式给出了摩擦力的广义力的一般表达式.应用增广法将微分-代数方程组转化为常微分方程组,并用分块矩阵的形式给出,以便于方程的编程与计算.给出了一种改进的试算法,可提高计算效率.最后给出了一个算例,应用试算法和RK法对算例进行了数值仿真.