Уравнения движения в гамильтоновых переменных систем твердых тел c замкнутыми кинематическими цепями

Бесплатный доступ

Рассматриваются методы построения математических моделей механических систем, в структуре которых содержатся кинематические циклы. Все связи голономны. На первом этапе механическая система сводится к системе со структурой дерева с помощью раздвоения определенных вершин (тел) первичного графа. Уравнения движения строятся в матричной форме относительно гамильтоновых переменных: обобщенных координат и импульсов. На втором этапе дополнительные связи, приводящие к замыканию кинематических цепей, учитываются в уравнениях движения с помощью множителей Лагранжа на уровне кинематических соотношений. Уравнения движения формируются по рекуррентным формулам с использованием минимального набора первичной информации о структуре, геометрических, кинематических, масс-инерционных и силовых характеристиках механической системы. Построены итерационный и конечный алгоритмы решения полученных уравнений относительно переменных интегрирования. На примере одной механической системы, в структуре которой содержатся два замкнутых цикла, продемонстрирован весь процесс подготовки первичной информации при формировании математической модели в предлагаемой форме. Результаты моделирования показывают, что алгоритмы, описываемые в статье, приводят к более устойчивому к ошибкам вычислений численному решению, чем методы, основанные на классическом подходе, в котором уравнения движения замыкаются дважды продифференцированными уравнениями дополнительных связей.

Еще

Система абсолютно твердых тел, уравнения движения, динамика, математическое моделирование, обобщенные координаты, импульсы пуассона, матрично-геометрический метод

Короткий адрес: https://sciup.org/147245536

IDR: 147245536   |   УДК: 531.01+004.94   |   DOI: 10.17072/1993-0550-2022-4-18-28

Motion equations of rigid bodies systems with closed kinematic chains in Hamiltonian variables

Constructing methods of mathematical models for mechanical systems with closed kinematic loops are considered. All connections are holonomic. At the first stage, the mechanical system is reduced to a system with a tree structure by certain vertices (bodies) splitting in the original graph. The motion equations are constructed in matrix form with respect to Hamiltonian variables: generalized coordinates and impulses. At the second stage, additional constraints are taken into account in the motion equations using Lagrange multipliers at the level of kinematic relations. These connections lead to closure of kinematic chains. The motion equations are formed according to recurrent formulas using a minimum set of primary information about the structure, geometric, kinematic, mass-inertial and power characteristics of a mechanical system. Iterative and finite algorithms for solving the obtained equations with respect to the integration variables are constructed. The whole process of primary information preparation is demonstrated in the formation of a mathematical model in the proposed form on the example of one mechanical system with two closed cycles. The simulation results show that the algorithms described in the article provide a numerical solution that is more resistant to computational errors than methods based on the classical approach, in which the motions equation are closed by doubly differentiated equations of additional constraints.

Еще

Список литературы Уравнения движения в гамильтоновых переменных систем твердых тел c замкнутыми кинематическими цепями

  • Иванов В.Н. Матричные уравнения движения систем твердых тел в гамильтоновых переменных. Системы со структурой дерева // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2019. Вып. 3(46). С. 38-46. EDN: LSMFFH
  • Иванов В.Н. Матричные уравнения движения систем твердых тел в гамильтоновых переменных. Системы с замкнутыми цепями // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2019. Вып. 4(47). С. 13-20. EDN: JDALUN
  • Иванов В.Н. Алгоритмы решения уравнений движения в импульсах Пуассона систем твердых тел со структурой дерева // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. 2017. Вып. 4(39). С. 25-31. EDN: ZXNXHD
  • Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. М.: Мир, 1999. 548c.
  • Шевцов Г.С. Численные методы линейной алгебры: учеб. пособие / Г.С. Шевцов, О.Г. Крюкова, Б.И. Мызникова. М.: Финансы и статистика: ИНФРА-М, 2008. 480 с. EDN: QJTOBF
  • Суслов Г.К. Теоретическая механика. М.: Гостехиздат, 1946. 656с.
  • Featherstone R. Rigid Body Dynamics Algorithms. New York: Springer, 2008. 272 p.
  • Wittenburg J. Dynamics of multibody systems. Berlin: Springer-Verlag, 2008. 223 p.
  • Fan-Chung Tseng, Zheng-Dong Ma, Gregory M. Hulbert. Efficient numerical solution of constrained multibody dynamics systems // Computer Methods in Applied. Mechanics and Engineering. 192 (2003). P. 439-472. EDN: BDCFZD
Еще