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。     

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。     

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一,其方程的形式为常微分方程组或微分 - 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.本文简要介绍了多体系统动力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、Poincar'e映射和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述.     

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.     

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方程建立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.      

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Euler-Lagrange方程的最小二乘法与违约修正

针对受完整约束的多体系统动力学Euler-Lagrange方程,在其传统的直接增广算法和零空间方法基础上提出了当系统存在冗余约束情形下的最小二乘法.同时,对应于最小二乘法提出了改进的约束违约修正方法.本文还针对Euler-Lagrange方程的计算过程给出了相应Jacobi矩阵的QR分解和零空间连续正交基的算法.最后,以平行五连杆机构给出了数值结果并与部分现有方法进行比较.     

一种求解柔性多体系统动力学方程的新方法

柔性多体系统控制方程是具有stiff性质的刚柔耦合非线性代数一微分方程组,本文提出了一种求解该类刚性方程组的数值方法,在每一时间步,利用Newmark-β直接积分法计算迭代初值,基于控制方程及约束方程的泰勒展开,推导出Newton-Raphson迭代公式,对位移及拉格朗日乘子进行修正,最后,引用Blajer提出的违约修正方法对数值积分过程中约束方程的违约进行修正。就两个典型算例进行了数值仿真,结果证明了本文方法的有效性。     

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一, 其方程的形式为常微分方程组或微分-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。本文简要介绍了多 体系统动 力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方 程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值 计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多 体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、 Poincarè映射 和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述。     

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.     

Numerical method for dynamics of multi-body systems with two-dimensional Coulomb dry friction and nonholonomic constraints

Based on the dynamical theory of multi-body systems with nonholonomic constraints and an algorithm for complementarity problems, a numerical method for the multi-body systems with two-dimensional Coulomb dry friction and nonholonomic constraints is presented. In particular, a wheeled multi-body system is considered. Here,the state transition of stick-slip between wheel and ground is transformed into a nonlinear complementarity problem(NCP). An iterative algorithm for solving the NCP is then presented using an event-driven method. Dynamical equations of the multi-body system with holonomic and nonholonomic constraints are given using Routh equations and a constraint stabilization method. Finally, an example is used to test the proposed numerical method. The results show some dynamical behaviors of the wheeled multi-body system and its constraint stabilization effects.     

具有可积微分约束的力学系统的Lie对称性

研究具有可积微分约束的力学系统的Ｌｉｅ对称性与守恒量。采用两种方法：一是用不可积微分约束系统的方法;另一是用积分后降阶系统的方法,研究两种方法之间的关系。     

Differential-algebraic equations of programmed motions of Lagrangian dynamical systems

We suggest a method for constructing the dynamic equations of manipulator systems in canonical variables. The system of differential dynamic equations has an integral manifold corresponding to the holonomic and nonholonomic constraint equations. The controls are determined so as to ensure the stability of this manifold. We state conditions for the exponential stability of the manifold and for constraint stabilization when solving the dynamic equations numerically by a simplest difference method. We also present the solution of the problem of control of a plane two-link manipulator.     

Reliability Index and Failure Probability

Abstract

Numerical algorithms for the solution of nonlinear algebraic equation systems are discussed. Special application to the mechanism and multibody system kinematic analysis, as well as to the problems of constraint stabilization during dynamics simulation is regarded. Special attention is paid to the approaches of a separate solution of the differential equations and constraint stabilization. Numerical procedures that are effective additions to the well-known algorithms based on the Newton-Raphson method are presented. The problems of loss of precision and achievement of large unreal increments of the varying parameters are discussed. The traditional Newton-Raphson method is modified by applying a step reduction procedure that is developed numerically for the symbolic form of kinematic and dynamic equations. An optimization method for stabilization of constraints using the mass matrix of dynamic equations is suggested. According to the objective function defined the stabilization procedure provides minimal deviations of the parameters and their velocities with respect to the solution of the differential equations. No generalized coordinate partitioning is required either for solution of the dynamic equations or for stabilization of the constraints. Several examples of kinematic analysis of single and four contour plane mechanisms and constraint stabilization are solved, and the results are compared. The advantages of the algorithms developed are tested with a high-degree of initial deviation from the real solution. It is also shown that the step correction algorithm could provide admissible solution even when, in many cases, the classical approaches are not reliable. An example of the direct and inverse kinematic problem solutions of the four-degrees-of-freedom spatial platform is presented.     

Lie Algebraic Control for the Stabilization of Nonlinear Multibody System Dynamics Simulation

It is well known that when equations of motion are formulated using Lagrange multipliers for multibody dynamic systems, one obtains a redundant set of differential algebraic equations. Numerical integration of these equations can lead to numerical difficulties associated with constraint violation drift. One approach that has been explored to alleviate this difficulty has been contraint stabilization methods. In this paper, a family of stabilization methods are considered as partial feedback linearizing controllers. Several stabilization methods including the range space method, null space method, Baumgarte's method, and the damping and stiffness penalty methods are examined. Each can be construed as a particular partial feedback linearizing controller. The paper closes by comparing several of these constraint stabilization methods to another method suggested by construction: the variable structure sliding (VSS) control. The VSS method is found to be the most efficient, stable, and robust in the presence of singularities.     

有多余坐标完整系统的自由运动

对于完整力学系统,若选取的参数不是完全独立的,则称为有多余坐标的完整系统. 由于完整力学系统的第二类Lagrange 方程中没有约束力,故为研究完整力学系统的约束力,需采用有多余坐标的带乘子的Lagrange方程或第一类Lagrange 方程. 一些动力学问题要求约束力不能为零,而另一些问题要求约束力很小. 如果约束力为零,则称为系统的自由运动问题. 本文提出并研究了有多余坐标完整系统的自由运动问题. 为研究系统的自由运动,首先,由d'Alembert-Lagrange 原理, 利用Lagrange 乘子法建立有多余坐标完整系统的运动微分方程;其次,由多余坐标完整系统的运动方程和约束方程建立乘子满足的代数方程并得到约束力的表达式;最后,由约束系统自由运动的定义,令所有乘子为零,得到系统实现自由运动的条件. 这些条件的个数等于约束方程的个数,它们依赖于系统的动能、广义力和约束方程,给出其中任意两个条件,均可以得到实现自由运动时对另一个条件的限制. 即当给定动能和约束方程,这些条件会给出实现自由运动时广义力之间的关系. 当给定动能和广义力,这些条件会给出实现自由运动时对约束方程的限制. 当给定广义力和约束方程,这些条件会给出实现自由运动时对动能的限制. 文末,举例并说明方法和结果的应用.      

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.