柔性绳索结构因质量轻、高柔性和可设计性强等特点,在航空航天及机器人等工程领域得到广泛应用.由于几何大变形与材料非线性等因素影响,利用非线性有限元等高精度方法分析这类柔性结构的动力学特性时,存在模型复杂、计算量大和难以高效...柔性绳索结构因质量轻、高柔性和可设计性强等特点,在航空航天及机器人等工程领域得到广泛应用.由于几何大变形与材料非线性等因素影响,利用非线性有限元等高精度方法分析这类柔性结构的动力学特性时,存在模型复杂、计算量大和难以高效仿真等问题.文章改进了起源于计算机图形学的XPBD(extended position based dynamics)算法,设计了新的约束函数与迭代方法,使其适用于柔性绳索结构的动力学仿真.主要贡献包括:引入旋转向量以更准确描述结构姿态,基于Cosserat弹性杆理论设计了更精确的约束函数,采用约束能量作为迭代收敛判据以提高仿真精度,提出分组求解约束的方法提高迭代计算效率.还以索-杆复合结构为例验证了改进算法的有效性:与ADAMS软件相比,改进算法具有更好的稳定性,且计算效率大致相当;与原XPBD算法相比,改进算法显著提高了求解精度.改进算法引入了旋转向量,使约束函数的设计更灵活,计算框架也更利于并行化,具有在复杂柔性结构动力学仿真中进一步应用的优势和潜力.展开更多
文摘柔性绳索结构因质量轻、高柔性和可设计性强等特点,在航空航天及机器人等工程领域得到广泛应用.由于几何大变形与材料非线性等因素影响,利用非线性有限元等高精度方法分析这类柔性结构的动力学特性时,存在模型复杂、计算量大和难以高效仿真等问题.文章改进了起源于计算机图形学的XPBD(extended position based dynamics)算法,设计了新的约束函数与迭代方法,使其适用于柔性绳索结构的动力学仿真.主要贡献包括:引入旋转向量以更准确描述结构姿态,基于Cosserat弹性杆理论设计了更精确的约束函数,采用约束能量作为迭代收敛判据以提高仿真精度,提出分组求解约束的方法提高迭代计算效率.还以索-杆复合结构为例验证了改进算法的有效性:与ADAMS软件相比,改进算法具有更好的稳定性,且计算效率大致相当;与原XPBD算法相比,改进算法显著提高了求解精度.改进算法引入了旋转向量,使约束函数的设计更灵活,计算框架也更利于并行化,具有在复杂柔性结构动力学仿真中进一步应用的优势和潜力.
