带约束多体系统动力学方程的隐式算法

研究了带约束多体系统隐式算法,用子矩阵的形式推导出了多体系统正则方程的Ｊａｃｏｂｉ矩阵,它适用于多种隐式算法并给出了隐式Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ算法,最后用一算例表明了隐式算法的计算效率和精度明显优于算法。     

树形多体系统动力学的隐式数值算法

研究了树形多体系统动力学的隐式算法．用矩阵形式给出了多体系统的正则方程及其右端函数的Ｊａｃｏｂｉ矩阵，并给出该矩阵的分块算法和对角隐式Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ法（ＤＩＲＫＭ）以及隐式辛Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ法（ＩＳＲＫＭ）．该算法便于编程计算，能提高计算效率，保持长期计算的稳定性．并用算例说明该算法的有效性     

带约束平面多刚体系统动力学方程的隐式算法

在多体系统动力学正则方程的基础上建立了平面多体系统正则方程的隐式数值算法。利用平面运动的特性，对正则方程进行了简化，导出了该方程的Ｊａｃｏｂｉ矩阵的一般表达式，给出了Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ多体系统动力学方程隐式数值计算方法。算例表明，该方法是一种计算速度和精度均理想的数值方法。     

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     

多体系统动力学Lagrange方法的进展

本文综述了近年来Ｌａｇｒａｎｇｅ方法在多体系统动力学研究中的进展．介绍了３种形式的Ｌａ－ｇｒａｎｇｅ动力学方程及其数值计算方面新的研究成果     

多体系统动力学方程符号推导

符号演算又名计算机代数,是近二十年来蓬勃发展的计算机科学。用符号演算导出复杂的多体系统动力学非线性微分方程组,可以提高计算效率,计算精度,减轻人的劳动並为设计方案的选择提供快速分析的依据。本文介绍用FORTRAN-77在VAX/11—780上符号推导以6自由度机器人为例的多体系统动力学方程。文中方法可应用于航天器、机构等动力学方程推导。     

多体系统动力学子系统求解算法

为了降低系统求解规模,提高复杂多体系统动力学求解效率,研究了多体动力学子系统求解算法.通过分析系统拓扑构型,基于雅克比矩阵分块特性,提出子系统综合算法.算法采用半递归法建立含开环、闭环的子系统运动方程,将子系统质量和外力等效作用在内接基体上,解耦系统运动方程组装和加速度求解.此外,针对松散耦合子系统,提出了予系统分治算法.算法针对子系统间的耦合特点,分解复杂多体系统模型,实现子系统的独立求解.最后以机构动力学数值求解实例,验证上述算法的正确性和求解效率.     

多体系统动力学方程的无违约数值计算方法

多体系统动力学方程为3阶微分代数方程,已有的约束违约稳定法存在位移违约问题,数值仿真准确性和稳定性不足。本文将求解高阶微分代数方程的降阶理论、ε嵌入处理方式与隐式龙格库塔法相结合,提出了直接满足位移约束条件的多体系统动力学方程的无违约算法,避免了约束违约问题。该方法先将多体动力学方程转化为2阶微分代数方程,并与位移约束方程联立;再应用ε嵌入隐式龙格库塔法进行数值求解。应用两种方法分别对单摆机构进行数值仿真,结果表明本文的方法不仅能适应较大步长,且准确性和稳定性均优于约束违约稳定法。     

树形多体系统动力学约束力算法

多体系统高效动力学算法一直是多体系统动力学的重要研究方向. 近年来,众多高效算法虽然在提高解算效率方面取得了一定研究成果,但大多无法直接给出多体系统的显式动力学方程或解算系统约束力. 基于以上问题,研究了适用于任意树形多体系统动力学解算的约束力算法(constraint force algorithm, CFA) 及其串行化应用. 约束力算法可在解算多体系统动力学的过程中对系统约束力进行求解,该算法串行化后计算量仅与自由度成线性关系. 通过分析树形多体系统中任意节点处的动力学、运动学递推关系并讨论系统方程的组集方法,将仅适用于链状系统的算法推广至任意树形系统,并给出了其串行化应用方法以提高算法效率. 在数值仿真中,将所提算法与递推算法进行对比,验证了所提出的约束力算法的准确性;此外,通过对比4 种不同算法在相同工作环境下解算同一模型时的处理器运行时间,证实了串行化约束力算法的高效性.      

多体动系统动力学方程在流形上的辛算法

多体系统动力学方程的数值方法一直是数学与力学家们的热门研 究课题.特别是多体系统动力学微分/代数方程组形式的数学模型，是所 谓的指标-3问题，它的求解是一个难题.目前流行的关于它的数值方法都 有不尽人意的地方，主要是对出现的所谓的违约问题和刚性问题未很好地 解决.多体系统动力学方程在流形上的辛算法是近几年出现的新的数值方 法，它将闭环型多体系统动力学的方程的约束部分和常微分方程部分利 用所谓的辛方法同时进行处理，其中的一些方法已证明是有效的，所以， 用它求解多体系统动力学方程前景看好.本文介绍了这些新的理论，并提 出了一些有待解决的问题.     

约束多体系统的基于离散零空间的隐式龙格库塔法

将离散零空间理论应用于多体系统动力学方程的数值计算,可降低多体系统动力学方程的维数。通过给出离散零空间理论与IRK法相结合的一般数学框架,提出了多体系统动力学的基于离散零空间理论的IRK法。数值算例表明：该算法可获得较满意的数值结果,约束违约程度很小,三种积分算法算例的范数均在10^-16之内。     

A new algorithm for solving differential/algebraic equations of multibody system dynamics

I.Intr0ductionTheequationsofmoti0nofconstrainedmultibodysystemdynamicscanbewrittenasfollows11lwherelistimeparameter*q6R'isgeneralizedcoordinatesvectorofsystem,M(q,t):RnXR-R"xnisgeneralizedmassn1atrixofsystem,k6RmisLagrangemultipliervector,fo(q,t):RnXR-R"(…     

约束多体系统动力学正则方程的约束变尺度方法

对约束多体系统动力学的正则方程建立了最优化问题模型,采用辛差分格式,提出相应的最优化问题的约束变尺度法,该方法有效地提高了计算稳定性,算例说明了方法的有效性。     

Modeling of multibody systems with redundant joints

This paper deals with the modeling of a multibody system in which some pairs of bodies are connected by more than one joints with the same kinematic constraints. In such system, the redundant joints must be removed out artificially to ensure the solvable condition of the equations of motion being satisfied. It is believed but not obvious that the redundant joints have no effect on the system acceleration. We give a strict positive proof of this argument and present a method to avoid the ambiguity in the reaction forces of redundant joints through contact analysis of joints.     

Simulation of spatial multibody systems with friction

A formulation for modeling and simulation of friction effects in spatial multibody systems is presented. Constraint reaction forces on rigid bodies that are connected by joints that support friction are derived as functions of Lagrange multipliers, using D’Alembert’s principle. Friction forces acting on bodies are calculated as a function of joint geometry, constraint reaction forces that are functions of Lagrange multipliers, and relative velocities at constraint contact points that are determined by system kinematics. Friction forces are implemented in index 0 differential-algebraic equations of motion that are solved numerically using explicit and implicit numerical integration methods. Spatial examples are presented, yielding accurate results and demonstrating that the systems are not stiff, even in the presence of friction and stiction.     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(I)DAEs求解算法构架设计

基于开放式工程与科学计算集成化软件平台SiPESC,研发了用于多体系统动力学时程分析的一类通用求解算法构架。该构架的核心思想是算法与数据相分离,整个构架由五个基本类及子类组成。本文重点阐述基本类的抽象过程,利用插件技术设计求解器的构架,进一步应用该构架实现了Newmark方法,HHT(Hilber-Hughes-Taylor)方法,Generalized α方法,Bathe方法及祖冲之类Symplectic方法等微分-代数方程组(DAEs)求解器的开发。研究工作表明,本文所提出的DAEs求解算法构架对多体系统动力学的时程分析具有良好的开放性和通用性,可方便进行各种新的DAEs求解算法的动态扩展。     

结构性软土弹塑性模型的隐式算法实现

对于考虑软土结构性的高度非线性弹塑性本构模型,在采用Newton-CPPM隐式算法对模型进行数值实现的过程中容易出现Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。为此,本文提出了两种改进隐式算法。考虑到Newton-CPPM隐式算法是局部收敛性算法,因此引入大范围收敛的同伦延拓算法对Newton-CPPM算法的迭代初值进行改进,形成了同伦-Newton-CPPM算法。考虑到Newton-CPPM隐式算法单个迭代步的计算量过大,因此借鉴显式算法的思想提出一种两阶段迭代算法,第一阶段先求出一致性参数,第二阶段采用类似于显示算法的方法进行回代得出状态变量的值。然后,以考虑软土结构性的SANICLAY模型为例,从弹塑性本构模型的组成和算法的特点两个角度分析了引起Jacobian矩阵奇异和不收敛问题的原因,并且在单单元计算的基础上,对全显式算法、传统隐式算法和两种改进隐式算法在计算收敛性、计算精度和计算效率方面进行了对比。最后,将同伦-Newton-CPPM算法和传统隐式算法用于地基承载力多单元计算中,结果表明该算法能够有效地解决Jacobian矩阵奇异和不收敛问题。      

Impact dynamics of multibody systems with frictional contact using joint coordinates and canonical equations of motion

This paper presents a methodology in computational dynamics for the analysis of mechanical systems that undergo intermittent motion. A canonical form of the equations of motion is derived with a minimal set of coordinates. These equations are used in a procedure for balancing the momenta of the system over the period of impact, calculating the jump in the body momentum, velocity discontinuities and rebounds. The effect of dry friction is discussed and a contact law is proposed. The present formulation is extended to open and closed-loop mechanical systems where the jumps in the constraints' momenta are also solved. The application of this methodology is illustrated with the study of impact of open-loop and closed-loop examples.     

A METHOD FOR SOLVING THE DYNAMICS OF MULTIBODY SYSTEMS WITH RHEONOMIC AND NONHOLONOMIC CONSTRAINTS

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