第2章 多体系统动力学

第2章多体系统动力学基本理论本章主要介绍多体系统动力学的基本理论，包括多刚体系统动力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解及多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题。

通过本章的学习可以对多体系统动力学的基本理论有较深入的了解，为具体软件的学习打下良好的理论基础。

2.1 多体系统动力学研究状况多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。

从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。

本节将叙述多体系统动力学发展的历史和目前国内外研究的现状。

2.1.1 多体系统动力学研究的发展机械系统动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的，多体系统动力学是其理论基础。

计算机技术自其诞生以来，渗透到了科学计算和工程应用的几乎每一个领域。

数值分析技术与传统力学的结合曾在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以ANSYS、NASTRAN等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。

计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS和DADS为代表的动力学分析软件。

两者共同构成计算机辅助工程（CAE）技术的重要内容。

多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。

多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。

它是在经典力学基础上产生的新学科分支，在经典刚体系统动力学上的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个发展阶段，目前已趋于成熟。

第2章多体系统动力学基本理论本章主要介绍多体系统动力学的基本理论，包括多刚体系统动力学建模、多柔体系统动力学建模、多体系统动力学方程求解及多体系统动力学中的刚性（Stiff）问题。

通过本章的学习可以对多体系统动力学的基本理论有较深入的了解，为具体软件的学习打下良好的理论基础。

2.1 多体系统动力学研究状况多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。

从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。

本节将叙述多体系统动力学发展的历史和目前国内外研究的现状。

2.1.1 多体系统动力学研究的发展机械系统动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的，多体系统动力学是其理论基础。

计算机技术自其诞生以来，渗透到了科学计算和工程应用的几乎每一个领域。

数值分析技术与传统力学的结合曾在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以ANSYS、NASTRAN等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。

计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS和DADS为代表的动力学分析软件。

两者共同构成计算机辅助工程（CAE）技术的重要内容。

多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。

多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。

它是在经典力学基础上产生的新学科分支，在经典刚体系统动力学上的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个发展阶段，目前已趋于成熟。

多体系统的动力学"多体系统的动力学"可以看作是物理学一个非常基础和核心的研究内容，它是对多个粒子或物体在相互作用下的运动规律进行研究。

多体系统的动力学分析是引力、电磁力等基本物理学科中的常见应用。

首先，我们需要理解多体系统是什么，它通常包含三个或更多的物体，这些物体相互作用并且都有独特的运动。

比如在天文学中，多星系统；在物理学中，离子/电子在原子核周围的运动；在化学领域，分子间的动力反应等等，都可以作为多体系统的相关研究对象。

多体问题的价值并不只仅仅在于理论研究。

它对于理解和预测天文观测结果、理解化学反应机制等有着重要的指导意义，而且与我们日常生活中的许多现象也有着密切的联系。

解析多体系统的动力学，一般会引入牛顿运动定律和万有引力定律等基本定律，而要解决这样的问题通常需要使用菜因公式，拉普拉斯公式等高级数学理论进行分析计算。

数值计算方法，如Monte Carlo方法、分子动力学模拟等也是常用的工具。

然而，值得注意的是，多体问题的求解并不总是那么直接或者容易。

实际上，这是一个非常具挑战性的问题，其中一个主要的困难在于，我们必须同时处理所有物体之间的相互作用，这就导致整个系统的复杂性成倍增加。

想象一下，在一个具有成百上千个粒子的系统中，每一个粒子都可能与其它所有粒子产生相互作用，这将会导致大量的数据计算。

进一步地，对于量子多体系统，该系统的动力学求解更为复杂。

传统的量子力学理论无法直接解决这类问题，因为该类问题涉及到量子纠缠和量子干涉等现象，这种无法使用经典物理量描述的现象就造成了该类问题求解的困难性。

尽管如此，多体系统动力学的理论研究已经取得了一些重要成果，包括但不限于量子多体局域化、由多体相互作用引起的量子阶段过渡等领域已经取得了重要的理论突破。

对于更多阶段上的理论和数字模拟以及对实验的剖析，我们都可能得到更多新的理解和见解。

总的来说，多体系统动力学是一门既深奥又广泛的学科。

1. 绝对节点坐标法传统有限元方法建立的单元为非等参数单元，其使用节点处的位移梯度来描述物体的无限小的转动，但在物体发生大变形时，节点处的位移梯度已不能准确描述物体的转动变形，从而极大影响到计算的精度。

Shabana [1]提出了绝对节点坐标法（Absolute nodal coordinate formulation, ANCF ），其理论基础主要是有限元和连续介质力学理论。

该方法将物体的单元节点坐标定义在全局坐标系下，使用节点处的斜率(slope)矢量作为节点坐标而不是节点处的无限小转动[2]，不需要另外计算刚体位移与柔性变形之间的耦合，能较精确地计算大变形的多体系统动力学问题。

其最终推导出的多体系统的微分代数方程组（DAEs ）中，质量矩阵是一个常数矩阵，但刚度矩阵将是一个非线性的时间函数。

1.1梁单元的绝对节点坐标法Shabana 首先推导出一维梁单元的绝对节点坐标法模型[1][3]。

在这种模型中，梁单元用中性轴来简化，如图1所示，其上面任意一点P 在全局坐标系下的坐标表达为：23101232320123r =Se r a a x a x a x r b b x b x b x ⎡⎤+++⎡⎤==⎢⎥⎢⎥+++⎣⎦⎣⎦图1其中，x 为沿轴线的单元局部坐标，[]0,x l ∈，l 为梁单元初始长度；S 为单元形函数；e 为含有8个单元节点坐标的广义坐标矢量。

123456781102205162e []|,|,|,|,Tx x x l x l e e e e e e e e e r e r e r e r ========= 1212304078,,,x x x l x l r r r r e e e e x x x x ====∂∂∂∂====∂∂∂∂最终，通过绝对节点坐标法得到的无约束的单元动力学方程为：k e Me+Q =Q 其中，M 为常数质量矩阵，Q k 为广义弹性力矩阵，Q e 为广义外力矩阵。

多体系统的动力学分析动力学是研究物体的运动及其产生的原因的学科，对于多体系统的动力学分析，我们需要探究不同物体之间的相互作用以及它们的运动规律。

在这篇文章中，我们将介绍多体系统的动力学分析方法，以及它在不同领域的应用。

1. 多体系统的描述多体系统是由多个物体组成的系统，物体之间可以通过各种相互作用力进行作用。

为了对多体系统进行动力学分析，我们首先需要对每个物体的位置、质量、速度等进行描述。

在经典力学中，可以通过使用牛顿第二定律 F = ma 来描述物体的运动，其中 F 是物体所受的合外力，m 是物体的质量，a 是物体的加速度。

2. 多体系统的相互作用在多体系统中，物体之间可以通过万有引力、电磁力、弹性力等多种相互作用力进行作用。

这些相互作用力是决定多体系统运动规律的重要因素。

在进行动力学分析时，我们需要考虑物体之间的相互作用力，并利用牛顿定律求解物体的运动轨迹。

3. 动力学分析方法在对多体系统进行动力学分析时，我们可以采用多种方法来求解物体的运动规律。

其中，最常用的方法之一是利用微分方程求解。

我们可以根据牛顿第二定律及物体之间的相互作用力建立运动微分方程，然后通过求解微分方程得到物体的位置、速度、加速度的函数关系。

另外，还有一些其他的动力学分析方法，如拉格朗日方法、哈密顿方法等。

这些方法可以根据系统的自由度来建立系统的拉格朗日函数或哈密顿函数，并利用变分原理求解系统的运动方程。

4. 多体系统的应用多体系统的动力学分析在物理学、工程学、天文学、生物学等众多领域都具有重要应用。

在物理学中，通过对多体系统的分析，可以研究宏观物体的运动规律，如行星运动、机械振动等。

在工程学中，动力学分析可以用于设计复杂结构的机械系统、车辆运动仿真等。

在天文学中，动力学分析可以研究星系、恒星运动，以及天体之间的相互作用。

在生物学中，动力学分析可以用于模拟生物体的运动、神经信号传递等。

总结：多体系统的动力学分析是研究物体运动及其相互作用的重要工具。

多体系统动力学:根和视角SCHIEHLEN w .学院B力学斯图加特大学D - 70550斯图加特,德国(收到:1997年1月21日,接受形式:1997年4月15日修订)动力学。

一些历史的话说明多体系统动力学是基于经典力学及其工程应用,包括从机制、陀螺仪,卫星和生物力学的机器人。

先进的多体系统提出了严格参照课本和诉讼。

系统的特点是多体系统动力学算法和形式化分别准备计算机实现。

结果仿真和动画最多重要的。

柔性多体系统建模中的最新技术被认为是在一个同伴评论蒋丽忠。

未来的研究领域中多体动力学被确诊为标准化的数据,耦合用CAD系统参数识别、实时动画,联系和影响的问题,延伸到控制和机电系统、最优的系统设计、强度分析液体相互作用。

进一步的,有一种强烈的利息在多体系统分析和数值数学方法导致减少的严谨的处理简单模型和特殊交互集成赋码表示法支持和DAE的业务范围的数值效率。

新软件工程工具以模块化方法提高效率仍然需要承诺挑剔的眼光在生物力学、机器人技术以及车辆动力学。

关键词:刚体动力学的身体,多体系统、计算方法、数据模型,参数识别、优化设计、强度计算分析,整合代码DAE的业务范围。

1。

历史评论多体系统动力学的基于经典力学。

最简单元素是一个免费的颗粒体系统,可以治疗牛顿方程发表在1686年《自然哲学的数学原理》。

主要元素,刚体,在1775被介绍在他的贡献由欧拉公式。

建模过程中约束和关节、欧拉已使用自由身理导致反应的力量。

所得的方程已知的多体系统动力学为牛顿方程。

一个系统的局限在刚体被认为是1743年由d’Alembert他的Traitede Dynamique,在那里他区分应用和使命-提出的力量。

维'Alembert称为反力有“失去力量”的原则虚功记在心里。

制定一个数学一致'Alembert的d原理是由于拉格朗日原理相结合的基本理念与d虚功原理。

结果常微分最小集方程(赋)的二阶被发现。

比较全面、系统的分析,建立了约束的机械系统1788年由拉格朗日了。

多体力学系统的动力学特性分析引言：多体力学系统是研究物体在相互作用下的运动规律的学科。

在实际生活和科学研究中，我们经常会遇到多体力学系统，如天体运动、机械系统等。

本文将对多体力学系统的动力学特性进行分析，从而更好地理解和应用这一领域的知识。

一、质点的运动规律质点是多体力学系统的基本组成单位，其运动规律对于整个系统的研究具有重要意义。

根据牛顿第二定律，质点的运动状态受到外力和质量的影响。

通过分析质点的加速度、速度和位移的关系，我们可以推导出质点的运动方程，并进一步研究其动力学特性。

二、多体系统的相互作用多体力学系统中的物体之间存在相互作用，这种相互作用对于系统的整体运动具有重要影响。

例如，天体运动中的引力相互作用决定了行星的轨道和运动速度。

在机械系统中，物体之间的接触力和摩擦力也是相互作用的重要表现形式。

通过分析相互作用的性质和大小，我们可以深入理解多体力学系统的动力学特性。

三、多体系统的稳定性分析多体力学系统的稳定性是指系统在受到微小扰动后是否能够恢复到原来的状态。

稳定性分析是多体力学系统研究中的重要内容。

通过线性稳定性分析方法，我们可以判断系统的平衡点是否稳定，并进一步研究系统的动力学行为。

稳定性分析对于预测和控制多体力学系统的运动具有重要意义。

四、多体系统的混沌现象在某些情况下，多体力学系统的运动表现出复杂的、不可预测的行为，这种现象被称为混沌。

混沌现象在多体力学系统中普遍存在，例如双摆、天体运动等。

混沌现象的产生源于系统的非线性性质和初始条件的微小差异。

通过混沌现象的研究，我们可以更好地理解多体力学系统的动力学特性，并为实际应用提供参考。

五、多体系统的能量守恒能量守恒是多体力学系统研究中的基本原理之一。

根据能量守恒定律，系统的总能量在运动过程中保持不变。

通过分析系统的势能和动能的变化，我们可以推导出多体系统的能量守恒方程，并进一步研究系统的动力学行为。

能量守恒对于分析和优化多体力学系统的运动具有重要意义。