計算多體系統(tǒng)動力學理論及應用：基于MBDyn軟件

目錄
前言
第1章 多體系統(tǒng)動力學概述 1
1.1 概述 1
1.2 對技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的分析 2
1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題 2
1.3.1 多剛體動力學研究現(xiàn)狀 2
1.3.2 柔性體動力學研究現(xiàn)狀 4
1.3.3 接觸碰撞動力學研究現(xiàn)狀 5
1.3.4 數(shù)值求解研究現(xiàn)狀 6
1.3.5 多體動力學軟件研制現(xiàn)狀 7
1.4 本書章節(jié)劃分 11
第2章 多剛體系統(tǒng)動力學建模 13
2.1 單剛體動力學 13
2.1.1 坐標系定義 13
2.1.2 單剛體運動學 14
2.1.3 單剛體動力學方程 18
2.1.4 四元數(shù)歸一化約束 24
2.2 多剛體動力學 25
2.2.1 MARKER 點 26
2.2.2 彈性連接 27
2.2.3 約束與驅(qū)動 28
2.3 多剛體系統(tǒng)動力學方程 37
第3章 小變形柔性體動力學建模 39
3.1 柔性體的動能與質(zhì)量矩陣 39
3.2 彈性力與廣義力 44
3.3 柔性多體系統(tǒng)約束描述 45
3.4 柔性多體系統(tǒng)動力學方程 45
3.5 微分-代數(shù)混合方程組的解法 48
第4章 大變形柔性體動力學建模 49
4.1 ANCF 方法 49
4.2 索梁單元動力學建模 49
4.2.1 三維全參數(shù)梁單元模型 49
4.2.2 梯度缺省的索梁單元模型 53
4.2.3 可變長度柔性索梁單元模型 57
4.2.4 考慮熱應力的 ANCF 梁單元模型 61
4.3 薄膜/板殼單元動力學建模 62
4.3.1 ANCF 薄膜/板殼單元模型 62
4.3.2 Reissner 薄膜/板殼單元模型 68
4.4 實體單元動力學建模 72
4.4.1 四面體單元模型 72
4.4.2 六面體單元模型 75
4.5 流體單元動力學建模 81
4.5.1 連續(xù)介質(zhì)力學基礎 81
4.5.2 RANCF 公式 88
4.5.3 ANCF 流體單元模型 95
4.5.4 RANCF 形函數(shù) 96
4.5.5 流體單元系統(tǒng)動力學模型 97
第5章 接觸碰撞動力學 103
5.1 碰撞檢測 103
5.1.1 復雜機械構型的精細幾何描述 103
5.1.2 大規(guī)模幾何片元碰撞檢測 104
5.1.3 碰撞檢測算法框架 104
5.2 法向碰撞力模型 107
5.2.1 恢復系數(shù)法 107
5.2.2 非線性彈簧模型 108
5.2.3 非線性彈簧阻尼模型 108
5.2.4 有限元接觸方法 109
5.3 摩擦力模型 109
5.3.1 庫侖模型 110
5.3.2 庫侖 + 黏滯模型 110
5.3.3 靜摩擦 + 庫侖 + 黏滯模型 111
5.3.4 Stribeck 模型 112
5.3.5 Dahl 模型 112
5.3.6 Lugre 模型 113
5.3.7 基于切向嵌入量的非線性摩擦模型 114
5.3.8 非線性庫侖摩擦模型 115
第6章 多體系統(tǒng)動力學數(shù)值求解 116
6.1 約束多體系統(tǒng)動力學方程 116
6.1.1 拉格朗日力學原理 116
6.1.2 Hamilton 力學原理 119
6.2 多體系統(tǒng)約束方程 121
6.2.1 約束力 121
6.2.2 多柔體 DAE 微分指標 122
6.3 二階微分系統(tǒng)的數(shù)值阻尼積分方法 123
6.3.1 隱式歐拉法 123
6.3.2 Newmark 法 126
6.3.3 HHT-α 法 127
6.3.4 BDF 積分方法 128
6.3.5 隱式龍格-庫塔法 129
6.4 一階微分系統(tǒng)幾何積分法 130
6.4.1 基本歐拉法 130
6.4.2 辛歐拉法 131
6.4.3 辛 St.rmer-Verlet 法 133
6.5 投影幾何積分方法 133
6.5.1 位置約束投影 134
6.5.2 動量約束投影 135
第7章 MBDyn 說明 136
7.1 MBDyn 概述 136
7.1.1 MBDyn 描述 136
7.1.2 MBDyn 結構 136
7.2 MBDyn 使用方式 138
7.2.1 MBDyn 打開方式 139
7.2.2 MBDyn 代碼格式 139
7.3 MBDyn 配置方案 142
7.3.1 剛體 142
7.3.2 幾何體 146
7.3.3 標記點 147
7.3.4 材料 148
7.3.5 約束 149
7.3.6 柔性節(jié)點 154
7.3.7 截面 154
7.3.8 柔性體單元 156
7.3.9 相機（CAMERA） 158
7.3.10 輸入（INPUT） 159
7.3.11 輸出（OUTPUT） 160
7.3.12 求解器設置（SOLVER） 160
7.3.13 其他設置 163
7.4 MBDyn 使用實例 167
7.4.1 剛體動力學 167
7.4.2 柔性索梁動力學 171
7.4.3 柔性薄膜/板殼動力學 178
7.4.4 接觸摩擦動力學 184
7.4.5 接觸碰撞動力學 187
第8章 MBDyn 的前后處理及聯(lián)合仿真 194
8.1 基于 SolidWorks 的前處理可視化建模 194
8.1.1 URDF 文件概述 194
8.1.2 從 SolidWorks 中導出 URDF 文件 195
8.1.3 基于 URDF 的 MBDyn 動力學建模 200
8.2 基于 GMSH 的 CAD 模型網(wǎng)格劃分前處理 201
8.3 基于 Paraview 的三維可視化后處理 206
8.3.1 動畫輸出 208
8.3.2 在動畫中顯示柔性體的應力應變 211
8.3.3 包絡網(wǎng)格與系統(tǒng)中心坐標系顯示 212
8.4 基于 MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真 213
8.4.1 MBDyn 的聯(lián)合仿真參數(shù)定義 214
8.4.2 Simulink 中的聯(lián)合仿真設置 214
8.4.3 MBDyn 與 Simulink 仿真后處理 220
8.5 基于 Python 的機器學習訓練 222
8.5.1 倒立擺模型搭建 222
8.5.2 強化學習訓練 223
8.6 相機視角場景模擬和圖片輸出 227
第9章 MBDyn 場景應用 229
9.1 空間機械臂動力學仿真 229
9.1.1 動力學模型的建立 230
9.1.2 力矩輸入模式 231
9.1.3 速度輸入模式 232
9.1.4 位置輸入模式 234
9.2 四足機器人動力學仿真 235
9.2.1 姿態(tài)控制仿真 237
9.2.2 步態(tài)仿真 240
9.2.3 四足機器人在不同地面環(huán)境上運動仿真 242
9.3 人體動力學仿真 243
9.3.1 人體動力學模型搭建 243
9.3.2 人體運動控制仿真 245
9.4 空間充氣展開繩網(wǎng)動力學仿真 248
9.4.1 空間充氣展開繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)概述 248
9.4.2 收口動力學建模與分析 249
9.4.3 非合作目標捕獲分析 250
9.5 繩系衛(wèi)星動力學仿真 260
9.5.1 系繩衛(wèi)星重力梯度被動展開 260
9.5.2 系繩衛(wèi)星重力梯度穩(wěn)定仿真 262
參考文獻 265