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.      

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.     

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。     

多刚体系统接触碰撞动力学研究进展

简述了多刚体系统接触及碰撞动力学的研究方法,详细回顾了考虑库仑摩擦的多刚体系统的能量不协调、Painlev\'{e}疑难及碰撞恢复系数等该领域中难点问题的研究进展,探讨了解决该难点问题的研究思路,指出了未来该领域的研究方向.     

三维摩擦接触问题的增量线性互补方法

借助罚因子建立了三维摩擦接触本构模型,接触条件被表示为类似于非关联流动的弹塑性本构关系的形式。采用增量描述,对Coulomb摩擦定律采用Taylor展开作线性近似,导出了接触问题的互补虚功方程,然后基于有限元离散建立了三维摩擦接触问题的增量线性互补方法。数值算例表明了本文方法的有效性。     

多体系统动力学碰撞问题研究综述

对近年来多体系统碰撞动力学研究进展进行了评述,包括碰撞动力学建模理论、数值算法和实验方面的进展情况.根据各自不同假设条件将建模方法分为冲量动量法、连续碰撞力模型和基于连续介质力学的有限元方法,比较了各种建模方法在碰撞过程描述和数值性态方面的优势和局限性;对碰撞动力学实验在非接触式测量方面取得的最新进展进行了介绍,总结了实验对以上建模理论的验证研究,展示了实验研究方面的一些新发现.最后基于工程实际的需求提出多体系统碰撞动力学面临的新挑战.      

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。     

多柔体系统碰撞动力学研究综述

多柔体系统碰撞动力学研究具有重要的研究价值和工程实际意义,本文针对多柔体系统碰撞动力学研究中的几个基本问题进行了全面的分析和评述,其中包括多柔体系统动力学方程的描述、碰撞模型的建立、铰接间隙引起的碰撞问题、数值算法、实验研究、控制等几个方面,并根据目前的发展现状和研究中存在的问题,指出了今后多柔体系统动力学碰撞研究中的发展方向      

摩擦接触问题的数学规划解法

采用Ｋｌａｒｂｒｉｎｇ等［１］提出的广义摩擦定律，将摩擦接触问题化成一涉及导数的（混合型）参数线性互补问题，并根据Ｋａｎｅｋｏ［２］方法推广得到求解这类问题的算法。典型例题的计算说明该法简单可行。     

接触碰撞动力学的多变量选取方法

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述：接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率. 将该方法推广到三维空间碰撞问题,对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真,数值结果与实验结果吻合良好,验证了该方法的有效性. 针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题,研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响,寻找到合理的多变量选取方法,保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.     

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.      

基于Newmark格式的多柔体系统子循环算法研究

提出一种基于Newmark积分格式的FMD(Flexible Multi-body Dynamics)子循环算法,可用于求解缩并型的FMD方程.推导了FMD方程中快变分量和慢变分量的同步更新及子步更新公式;在积分过程中,采用能量平衡计算校验算法的稳定性;结果表明该算法可以在保持合适的精度要求下,有效地提高计算效率.     

柔性多体碰撞问题的多变量方法

针对柔性多体系统碰撞问题的特点, 提出了柔性多体系统碰撞问题的多变量方法. 在未碰撞阶段和分离后的阶段, 多变量方法考虑了物体大范围运动与变形的耦合.在碰撞阶段, 考虑非碰撞区域的变形, 对非碰撞区域用浮动参考系方法求解, 对发生碰撞的局部区域用非线性有限元方法求解. 非碰撞区域采用浮动基位形坐标和柔性体相对浮动基的变形模态坐标描述, 大大减缩了变量的维数,提高了计算效率. 碰撞局部区域采用非线性有限元节点坐标描述, 可以得到碰撞局部区域高精度的应力、应变响应, 而且可以反映碰撞局部区域的大变形、塑性等非线性响应. 该方法既能体现碰撞对系统大范围运动和长期动力学仿真的影响, 又能精确反映出碰撞发生的微小时间段内物体碰撞局部区域的应力、应变响应, 表现出碰撞过程中物体接触区域的演化历程.介绍了两杆正碰撞与铅垂面内双摆撞击自由圆盘的算例, 设计了两柔性杆正碰撞实验,多变量方法的数值仿真结果与实验测量结果很好地吻合.      

DYNAMIC MODELING OF MULTI-BODY SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型. 利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统. 由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形. 文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型. 将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律. 其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.     

汽车悬架闭环多体系统运动学分析

本文将多刚体系统动力学的R-W方法应用于具有闭合链系统的汽车悬架运动分析.首先通过假想切除铰链将闭环系统简化为树系统,然后引入约束方程使减缩系统的运动符合原系统的实际情况,得到运动学封闭解.文中给出了计算机程序框图及汽车两种典型悬架的分析计算结果.工程应用的实践表明,用此程序进行汽车悬架运动分析,所得结果精确,计算迅速,可方便地进行悬架设计方案的比较和参数的选择.     

关于非理想系统的伍德瓦迪亚-卡拉巴动力学方程的讨论

讨论了由伍德瓦迪亚(Udwadia)和卡拉巴(Kalaba)提出的针对一般非理想系统的动力学方程,并对理想及非理想约束力的表达式进行了修改. 修改后的表达式有更清晰的物理意义且显示了同物理定律相适应的理想约束力及非理想约束力之间的耦合效应. 例子中分别采用经典的刚体动力学方法、伍德瓦迪亚-卡拉巴方法及修改后的伍德瓦迪亚-卡拉巴方法进行了对比研究,证实了对方程修改的意义.     

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(ordinarydifferential equation, ODE)与线性互补问题(linear complementarityproblem, 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.      

基于能量辨识的非线性静电-结构系统的自由度缩减建模方法

给出了一种基于系统能量函数辨识的静电致动微薄板系统自由度缩减建模方法.从Von Karman应变-位移关系式出发,推导出以广义模态坐标为变量的系统动能、应变能以及电容函数的函数表达式.为了将应变能以及电容函数写成广义模态坐标的多变量多项式形式,利用一系列经静态非线性结构有限元计算的结果,拟合得到多变量多项式的未知系数.由Lagrangian方程获得原系统的自由度缩减模型.利用该模型对器件的静/动态特性进行仿真,其计算费用很低.与有限元结果比较,验证了建模方法的正确性.