基于祖冲之类方法的多体动力学方程保能量保约束积分

针对一类多体动力学问题导出的微分-代数方程,提出一种保能量、保约束的算法.该算法基于祖冲之类方法和欧拉中点保辛差分,利用祖冲之类方法保证在时间格点上精确满足约束方程,避免约束违约问题;并进一步证明该算法在时间格点上可以精确保能量.数值算例进一步验证该算法的可靠性.     

多体系统动力学数值解法

多体系统动力学研究的主要内容动力学建模与数值解法是多体系统动力学研究的主要内容之一。对多体系统动力学方程及其动力学数值解法的研究成果进行了较为全面的阐述。多体系统动力学及动力学方程进行了简单的归纳和总结,多体系统动力学数值求解,特别是刚柔耦合多体系统微分／代数方程的数值解法等研究热点进行了详细的阐述,并简要展望了多体系统动力学数值解法今后的发展趋势,为多体系统动力学计算机仿真奠定了基础。     

萤火虫算法求解多体系统动力学微分-代数方程

针对多体系统动力学微分-代数方程求解问题,研究基于萤火虫算法的求解方法.首先将广义坐标和广义速度进行Lagrange插值,结合Gauss数值积分方法,将微分-代数方程求解问题转化成求解最优化问题.然后用萤火虫算法对问题进行优化求解.最后,通过对平面双连杆机械臂的多体系统仿真实验,验证了萤火虫算法在求解动力学方程中既保持...     

具有奇异位置的多体系统动力学方程的改进算法

多体系统进行数值仿真时,很多选择了微分代数混合方程作为多体系统动力学数学模型.本文在现有的约束稳定化理论基础上,提出了针对具有奇异位置的多体系统动力学方程的改进算法.算法通过修正速度违约和控制稳定项,讨论了具有奇异位置的微分代数混合方程的数值仿真问题并给出了稳定项中相关系数的建议值,从而有效克服了求解混合方程时因为构型奇异给计算造成的困难.算例分别采用改进算法与ADAMS软件进行仿真,计算结果的比较表明了改进算法的有效性.本文给出的基于能量守恒的能量差曲线也证明了改进算法的有效性.     

约束动力系统的分析结构力学积分

约束保守系统导出了微分代数方程,其数值求解总是采用差分法.微分-代数方程的约束带来Lagrange参变函数转变而得的微分方程,有其指标问题,扩大了求解的规模.虽然已经注意差分的保辛,但沿切面积分再投影,仍带来许多问题.本文运用分析结构力学的方法,以节点处的独立位移为未知数且严格满足节点的约束条件,再将有限元近似用于区段作用量函数,在区段内部用简单插值求解.则按分析结构力学的理论,不但达到了积分的保辛且区段内部的约束条件也可在变分原理的意义下近似满足.数值结果满意.     

基于微分/代数方程的多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法

基于多体系统动力学微分/代数方程数学模型和通用积分形式的目标函数,建立了多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法,避免了复杂的设计灵敏度计算,对于设计变量较多的多体系统灵敏度分析具有较高的计算效率.文中给出了通用公式以及具体的计算过程和验证方法,并将目标函数及其导数积分形式的计算转化为微分方程的初值问题,进一步提高了计算效率和精度.文末通过一曲柄-滑块机构算例对算法的有效性进行了验证.     

基于隐式微分/代数方程的多体系统动力学设计灵敏度分析方法

基于一般性的积分型目标函数、隐式相容初始条件及终止时刻表达式,系统建立了含设计参数的用隐式微分／代数方程表达的多体系统动力学设计灵敏度分析的直接微分方法和伴随变量方法．为降低目标函数及其对设计变量导数的计算复杂性。将其积分形式的计算转化为微分形式．所得到的结果可方便地应用于高效的间接最优化设计方法．最后通过采用绝对坐标建模的平面两连杆机械臂模型对该方法进行了验证．     

多体系统动力学Lie 群微分⁃代数方程约束稳定方法

针对多体系统动力学微分-代数方程求解问题,研究基于Lie群表达的约束稳定方法.首先引入新的Lagrange乘子,结合位移约束、速度级约束和加速度级约束方程,构造了新的Lie群微分-代数方程.然后使用向后差商隐式方法和CG(Crouch-Grossman)方法,对微分–代数方程进行离散求解,得到精确度较高的动力学仿真结果.该方法在精确保持各级约束方程的同时,保持旋转矩阵的正交性,并且使系统总能量误差较小.     

虚拟原型多体动力学约束模型研究

并行工程角度出发的机械虚拟原型是集成了产品的设计、分析,不断迭代、优化的过程,模型的协调一致性是保证设计过程完整的关键,如产品模型在CAD模型与机械多体动力学模型中的一致性表达。在这种观点下,该文提出在建立基于组件的机械系统虚拟原型时,从CAD中抽取多体动力学模型构件的物理属性,研究了国产三维实体设计软件CAXA环境下,基于多刚体系统动力学笛卡尔方法,从CAD模型映射多刚体动力学分析模型语义的实现方案。分析了多刚体系统动力学模型语义下,多体动力学约束模型坐标基变换关系的抽取。实验结果表明,从CAD中抽取多体动力学模型的物理属性的方案是可行的。可以用于建立基于组件的多体系统虚拟原型的分析模型,实现自主开发设计、分析集成的机械虚拟原型。     

多体系统动力学软件技术

本文根据凯恩－休斯顿多体系统动力学理论,开发了一套计算机分析软件,重点描述了该软件的实现技术,最后给出了例题计算。     

基于Hermite 插值的多体系统动力学离散变分方法

针对多体系统动力学数值仿真问题,研究基于Hermite插值的离散变分方法.首先对广义坐标和广义速度进行Hermite插值,结合Gauss数值积分方法,利用Hamilton原理和离散力学变分原理,建立了含已知导数信息和含未知导数信息的Hermite插值离散变分数学模型,求解得到精确度较高的动力学仿真结果.该方法可以在步长较大时精确保持约束方程,并保持系统总能量在一定范围内有界变化,适用于长时间仿真情况.     

Duffing方程的辛精细积分方法研究

辛精细积分方法汲取了辛几何算法保持动力学系统辛结构的优点和精细积分方法高精度的数值优点,其实现过程中涉及到大量矩阵求逆运算.为减小辛精细积分方法的运算量,本文在辛精细积分算法之前先将非齐次方程近似齐次化,使得矩阵求逆部分不显含时间,降低矩阵求逆计算量,并将这一方法应用于无阻尼Duffing方程的数值分析.通过与经典四阶Runge-Kutta格式及精细积分方法对比,发现辛精细积分方法在数值精度、计算耗时、保持系统能量等方面明显优于Runge-Kutta格式.此外,与精细积分方法相比,辛精细积分方法在保持系统能量方面存在明显优势.     

含干摩擦多体系统Lagrange方程的数值算法

利用第一类Lagrange方程建立了固定约束面含干摩擦的多体系统动力学方程,将摩擦力的广义力用矩阵形式描述．利用增广法。将微分-代数方程转换成常微分方程,并用矩阵形式给出,提高了计算效率．最后用算例说明该方法的有效性．     

A method for improving dynamic solutions in flexible multibody dynamics

This paper presents a method for improving dynamic solutions that are obtained from the dynamic simulation of flexible multibody systems. The mode-acceleration concept in linear structural dynamics is utilized in the proposed method for improving accuracy in the postprocessing stage. A theoretical explanation is made on why the proposed method improves the dynamic solutions in the context of the mode-acceleration method. A mode-acceleration equation for each flexible body is defined and the load term in the right hand side of the equation is represented as a combination of space-dependent and time-dependent terms so that efficient computation of dynamic solutions can be achieved. The load term is obtained from dynamic simulation of a flexible multibody system and a finite element method is used to compute dynamic solutions by quasi-static analyses. Numerical examples show the effectiveness of the proposed method.     

位移法浅水波方程的解及其特性

不同于传统流体力学,在Lagrange坐标下推导浅水波方程.若将水平位移作为基本变量,则推导出的浅水波数学模型可描述为固体力学的非线性大位移问题.运用不可压缩条件,通过变分原理推导出位移法浅水波方程,给出椭圆函数形式的行波解,并分析孤波解产生的条件.该基础研究建立了在分析结构力学中分析浅水波问题的理论基础,有利于进一步开展水动力学的研究.     

An energy preserving/decaying scheme for nonlinearly constrained multibody systems

Several numerical time integration methods for multibody system dynamics are described: an energy preserving scheme and three energy decaying ones, which introduce high-frequency numerical dissipation in order to annihilate the nondesired high-frequency oscillations. An exhaustive analysis of these four schemes is done, including their formulation, and energy preserving and decaying properties by taking into account the presence of nonlinear algebraic constraints and the incrementation of finite rotations. A new energy preserving/decaying scheme is developed, which is well suited for either stiff or nonstiff nonlinearly constrained multibody systems. Examples on a series of test cases show the performance of the algorithms.