Multibody system dynamics is based on classical mechanics and its engineering applications originating from mechanisms, gyroscopes, satellites and robots to biomechanics. Multibody system dynamics is characterized by algorithms or formalisms, respectively, ready for computer implementation. As a result simulation and animation are most convenient. Recent developments in multibody dynamics are identified as elastic or flexible systems, respectively, contact and impact problems, and actively controlled systems. Based on the history and recent activities in multibody dynamics, recursive algorithms are introduced and methods for dynamical analysis are presented. Linear and nonlinear engineering systems are analyzed by matrix methods, nonlinear dynamics approaches and simulation techniques. Applications are shown from low frequency vehicles dynamics including comfort and safety requirements to high frequency structural vibrations generating noise and sound, and from controlled limit cycles of mechanisms to periodic nonlinear oscillations of biped walkers. The fields of application are steadily increasing, in particular as multibody dynamics is considered as the basis of mechatronics.
An efficient non-recursive formulation of dynamic force analysis has been developed for serially connected multibody systems. Although derivation of equations of motion is based on a recursive dynamic formulation with joint relative coordinates, in the proposed formulation, dynamic forces such as joint reaction forces and driving force are computed non-recursively for specified joints. The efficiency of the proposed formulation has been proved by the operational count and the CPU time measure, comparing with that of the conventional recursive Newton-Euler formulation. A simulation of 7-DOF RRC robot arm has been carried out to validate solutions of reaction forces by comparing with those from a commercial dynamic analysis program DADS.
A real time multibody vehicle dynamics model has been developed and implemented using a subsystem synthesis method based on recursive formulation. To verify real time simulation capability the developed model has been applied to HMMWV(High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle) with steering system. For the kinematically driven steering system, the coupled front suspension-steering subsystem can be decoupled into two SLA suspension subsystems, which improves the efficiency of simulation. To investigate theoretical efficiency, operational counting method has been also employed to compare the proposed model with the conventional recursive dynamics model. Various simulations such as unsymmetric bump run, step steering(J-turn) and sine steering input test have been carried out to verify the real time feasibility of the proposed model.
In order to find out relationship between hit probability and gun firing of a moving tank, a turret and flexible gun system model has been developed using a recursive flexible multibody dynamics. For a firing simulation model, nodal coordinates for a finite element model of a flexible gun have been employed to include transverse loads to the gun tube due to moving bullet and ballistic pressure. Modal coordinates are also used to represent the motion induced gun vibration before a firing occurs. An efficient switching technique from modal equations to nodal equation has been introduced for an entire gun firing simulation with a rotating turret.
본 연구에서는 선체 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중 및 골리앗 크레인의 와이어 로프(wire rope)와 선체 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동 방정식을 구성하였고, 외력 계산 커널은 비선형 유체 정역학적 힘, 선형 유체 동역학적 힘, 풍력, 계류력을 계산할 수 있다. 개발된 커널의 효용성을 검증하기 위해, 이를 이용하여 와이어 로프와 블록간의 간섭과 이때 작용하는 동적 접촉력을 계산하였고, 마지막으로 계산 결과를 반영하여 러그가 부착된 블록에 대한 구조 해석을 수행하였다.
A numerical simulation method is developed to analyze the dynamic response of a cantilever switch, which is driven by electrostatic force and a basic component of electro-mechanical coupled system. First, point-charges model on conductor is proposed as a lumped parameter of electrical part. Then, this model is easily incorporated into a multi-body dynamics analysis algorithm, the generalized recursive dynamics formula previously developed by our research group. The resulting motion of a coupled overall system is formulated as a differential algebraic equation form including electrical and mechanical variables together. The equation is simultaneously solved in every time step. To implement this approach into the useful dynamics analysis tool, we used multibody dynamics software (RecurDyn) based on the generalized recursive formula using relative coordinate. The developed numerical simulation tool is evaluated by applying to many different driving condition and switch configuration. The final analysis model will be added to RecurDyn as a basic module for dynamics analysis of electro-mechanical coupled system.
This paper deals with modeling and computer simulation of a full multibody vehicle model for a driving simulator. The multibody vehicle model is based on the recursive formulation and a corresponding simulation code is generated automatically from AUTOCODE, which is a symbolic computation package developed by the authors using MAPLE. The paper describes a procedure for automatically generating a highly efficient simulation code for the full vehicle model, while incorporating realistically modeled components. The following issues have been accounted for in the procedure, including software design for representing a mechanical system in symbolic form as a set of computer data objects, a multibody formulation for systems with various types of connections between bodies, automatic manipulation of symbolic expressions in the multibody formulation, interface design for allowing users to describe unconventional force-and torque-producing components, and a method for accommodating external computer subroutines that may have already been developed. The effectiveness and efficiency of the proposed method have been demonstrated by the simulation code developed and implemented for driving simulation.
In order to find out relationship between hit probability and gun firing of a moving tank, a turret and flexible gun system model has been developed using the recursive flexible multibody dynamics. For a firing simulation model, nodal coordinates for a finite element model of a flexible gun have been employed to include traverse loads to the gun tube due to moving bullet and ballistic pressure. Modal coordinates are also used to represent the motion induced gun vibration before a firing occurs. An efficient switching technique from modal equations to nodal equations has been introduced for an entire gun firing simulation with rotating turret.
Recently, the authors have developed a method for real-time dynamics of multibody systems, which combines a semi-recursive formulation to derive the equations of motion in dependent relative coordinates, along with an augmented Lagrangian technique to impose the loop closure conditions. The following numerical integration procedures, which can be grouped into the so-called structural integrators, were tested : trapezoidal rule, Newmark dissipative schemes, HHT rule, and the Generalized-${\alpha}$ family. It was shown that, for large multi body systems, Newmark dissipative was the best election since, provided that the adequate parameters were chosen, excellent behavior was achieved in terms of efficiency and robustness with acceptable levels of accuracy. In the present paper, the performance of the described method in combination with another group of integrators, the Implicit Runge-Kutta family (IRK), is analyzed. The purpose is to clarify which kind of IRK algorithms can be more suitable for real-time applications, and to see whether they can be competitive with the already tested structural family of integrators. The final objective of the work is to provide some practical criteria for those interested in achieving real-time performance for large and complex multibody systems.
본 논문에서는 해상 시추작업을 위한 heave compensation system의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 우선 시뮬레이션을 위하여, 다물체계 동역학 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 입력 받은 heave compensation system 시뮬레이션 모델의 운동학적 정보를 이용하여 recursive Newton-Euler formulation 방법을 기반으로 운동방정식을 자동으로 구성하고, 수치적으로 해를 계산하는 기능을 한다. 그리고 해상 시추선에 작용하는 외력을 계산하기 위하여 유체 정역학적 힘과 유체 동역학적 힘을 계산하는 모듈을 개발하였다. 이와 같이 개발한 커널과 모듈들을 적용하여 해상 시추선의 hoisting system 동적거동 해석을 수행하고, 관절에서의 구속력을 계산하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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