Two different subsystem synthesis methods with independent generalized coordinates have been developed and compared. In each formulation, the subsystem equations of motion are generated in terms of independent generalized coordinates. The first formulation is based on the relative Cartesian coordinates with respect to moving subsystem base (virtual) body. The second formulation is based on the relative joint coordinates using recursive formulation. Computational efficiency of the formulations has been compared theoretically by the operational counting method.
For real time dynamic simulation, two different subsystem synthesis methods with independent generalized coordinates have been developed and compared. In each formulation, the subsystem equations of motion are generated in terms of independent generalized coordinates. The first formulation is based on the relative Cartesian coordinates with respect to moving subsystem base body. The second formulation is based on the relative joint coordinates using recursive formulation. Computational efficiency of the formulations has been compared theoretically by the arithmetic operational counts. In order to verify real-time capability of the formulations, bump run simulations of a quarter car model with SLA suspension subsystem have been carried out to measure the actual CPU time.
Multibody dynamics formulation has been developed based on relative cartesian coordinates for subsystem analysis. Relative cartesian coordinates are defined with respect to a reference body of a subsystem. Relative cartesian formulation inherits the same merits of absolute cartesian formulation, such as generality and easy implementation. Two methods have been applied. One is Largrange Multiplier Elimination method and the other is independent coordinate method. A 1/4 car simulation has been carried out to verify the formulations. Since both methods provide identical results, it proves the validity of the formulation.
Al-Rousan, Rajai Z.;Alhassan, Mohammed A.;Hejazi, Moheldeen A.
Structural Engineering and Mechanics
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제70권4호
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pp.445-455
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2019
Since the days of yore, plate's flexural analysis and formulation were dependent on the assumed coordinate system. In uncovering the coordinates-independent flexural interpretation, in this study, the plate bending analysis has been interpreted in terms of the tensor's components of curvatures and bending moments, in accordance with the continuum mechanics. The paper herein presents the theoretical formulations and conceptual perspectives of the Hydrostatic Method of Analysis (HM) that combines the continuum mechanics with the elasticity theory; the graphical statics and analysis; the theory of thin isotropic and orthotropic plates.
The Jacobian matrix of the equations of motion of a system using velocity transformation technique is derived via variation methods to apply the implicit integration algorithm, DASSL. The concept of generalized coordinate partitioning is used to parameterize the constraint set with independent generalized coordinates. DASSL is applied to determine independent generalized coordinates and velocities. Dependent generalized coordinates, velocities, accelerations and Lagrange multipliers are explicitly retained in the formulation to satisfy all of the governing kinematic and dynamic equations. The derived Jacobian matrix of a system is proved to be valid and accurate both analytically and through solution of numerical examples.
Alhassan, Mohammed A.;Al-Rousan, Rajai Z.;Hejazi, Moheldeen A.
Structural Engineering and Mechanics
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제77권6호
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pp.765-777
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2021
Recently, the plate bending analysis has been interpreted in terms of the tensor's components of curvatures and bending moments by presenting the conceptual perspectives of the Hydrostatic Method of Analysis (HM) and theoretical formulations that combine the continuum mechanics with the graphical statics analysis, the theory of thin orthotropic and isotropic plates, and the elasticity theory. In pursuance of uncovering a genuine formulation of the plate's flexural differential equations, that possess the general-covariance and coordinates-independency. This study had then, tackled various natural and structural problems in both solid and fluid branches of the continuum mechanics in a description of such theoretical and conceptual attainment in uncovering the dimensional independent diffeomorphism covariant partial differential laws.
In this paper, a formulation for a spatial sliding joint, which a general multibody can move along a very flexible cable, is derived using absolute nodal coordinates and non-generalized coordinate. The large deformable motion of a spatial cable is presented using absolute nodal coordinate formulation, which is based on the finite element procedures and the general continuum mechanics theory to represent the elastic forces. And the non-generalized coordinate, which is neither related to the inertia forces nor external forces, is used to describe an arbitrary position along the centerline of a very flexible cable. In the constraint equation for the sliding joint, since three constraint equations are imposed and one non-generalized coordinate is introduced, one constraint equation is systematically eliminated. Therefore, there are two independent Lagrange multipliers in the final system equations of motion associated with the sliding joint. The development of this sliding joint is important to analyze many mechanical systems such as pulley systems and pantograph/catenary systems for high speed-trains.
In this paper, we deal with the kinematic and dynamic modeling of hybrid robotic systems that are constructed by combination of parallel and serial modules or series of parallel modules. Previously, open-tree structure has been employed for dynamic modeling of hybrid robotic systems. Though this method is generally used, however, it requires expensive computation as the size of the system increases. Therefore, we propose an efficient dynamic modeling methodology for hybrid robotic systems. Initially, the dynamic model for the proximal module is obtained with respect to the independent joint coordinates. Then, in order to represent the operational dynamics of the proximal module, we model virtual joints attached at the top platform of the proximal module. The dynamic motion of the next module exerts dynamic forces to the virtual joints, which in fact is equivalent to the reaction forces exerted on the platform of the lower module by the dynamics of the upper module. Then, the dynamic forces at the virtual joints are distributed to the independent joints of the proximal module. For multiple modules, this scheme can be constructed as a recursive dynamic formulation, which results in reduction of the complexness of the open-tree structure method for modeling of hybrid robotic systems. Simulation for inverse dynamics is performed to validate the proposed modeling algorithm.
Deployable structures have gained more and more applications in space and civil structures, while it takes a large amount of computational resources to analyze this kind of multibody systems using common analysis methods. This paper presents a new approach for dynamic analysis of multibody systems consisting of both rigid bars and arbitrarily shaped rigid bodies. The bars and rigid bodies are connected through their nodes by ideal pin joints, which are usually fundamental components of deployable structures. Utilizing the Moore-Penrose generalized inverse matrix, equations of motion and constraint equations of the bars and rigid bodies are formulated with nodal Cartesian coordinates as unknowns. Based on the constraint equations, the nodal displacements are expressed as linear combination of the independent modes of the rigid body displacements, i.e., the null space orthogonal basis of the constraint matrix. The proposed method has less unknowns and a simple formulation compared with common multibody dynamic methods. An analysis program for the proposed method is developed, and its validity and efficiency are investigated by analyses of several representative numerical examples, where good accuracy and efficiency are demonstrated through comparison with commercial software package ADAMS.
본 논문은 구조물의 동역학 및 열탄성 연성문제 해석을 위한 통합된 유한요소법을 개발하는데 초점을 두고있다. 첫째로, 열전도 방정식에 열변위라는 물리량을 도입하여 동역학의 운동 방정식과 유사하도록 유도한 후, 변분법과 일반좌표계를 이용하여 시간영역에서 정식화하였다. 둘째로, 두 방정식에 라플라스 변환을 동시에 도입하고, 공간변수만을 갖는 형상함수와 가중잔여법을 적용하여 유한요소식을 변환영역에서 표현하였다. 연성된 방정식을 문제의 특성에 따라서 분류하였고 정식화 과정을 검증하였다. 또한 수치해석 알고리듬이 갖는 수치 역 변환의 정성적인 경향에 대하여 검토하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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