多体动力学发展历程中的重要里程碑

多体动力学的研究开始于60年代,加州的一些大学、组织及企业进行了研究并开发出来一些程序,包括斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校、加州-圣迭亚哥大学,NASA、洛克马丁及波音等。欧洲的学者也在加州与美国学者一起进行研究,尤其是在卫星和其他太空应用领域。有大量的关于刚体、柔体的技术文章在AIAA出版。加州的学者的贡献显著,出现了大量的论文及高水平著作。


尽管做了大量的研究工作,并且在航空领域有所应用,但在70年代前还是没有通用的多体动力学软件。通用型动力学软件的引入,重新塑造了如今的动力学领域,这些发生在美国中西部。首先引入计算程序的研究并没有发表在AIAA,而是发表在ASME Design Engineering Division,与AIAA在广泛动力学的研究领域不同。

   

很多学者都对多体程序有突出贡献,本文主要回顾三位杰出贡献者,来自美国中西部的三所大学:密歇根大学、威斯康星-麦迪森大学、爱荷华大学,Nicolae Orlandea,John Uicker,Roger Wehage。


Nicolae Orlandea:对于通用动力学软件的开发始于密歇根大学,这里诞生了第一个通用型的程序DRAM(dynamic response of articulated machinery)。这款软件被推向市场,但是没有成功,主要是缺少对于约束违约问题的检查。密歇根大学的学者Nicolae Orlandea、 Milton Chace,D. Calahan开发了三维的成功的ADAMS软件,Nocolae Orlandea的博士论文就是针对此进行的。1973年,Orlandea 完成了博士论文,随之诞生了ADAMS。1978年,MDI将ADAMS作为其主要产品,在1981年诞生了第一个商业版本并开始出售。在ADAMS中,采用了稀疏矩阵的方法来减少数组存储及计算效率。稀疏矩阵的方法现在广泛应用于动力学算法中,能够求解大型复杂的系统问题。在70年代早中期,ASME DED社团曾在ASME Design Engineering Technical Conferences会面,并且发表论文在ASME Journal of Engineering for Industry。这给Nicolae Orlandea和Milton Chace见面、讨论的机会,进而影响了其他组织的工作,包括爱荷华大学。

多体动力学历史的重要一页的图1

Nicolae Orlandea在伊利诺斯大学的讲话2016.5.27



John Uicker:ADAMS成为了至今仍非常流行的多体动力学程序,但是在ADAMS之前,有一项重要的研究在威斯康星-麦迪森大学由John Uicker领导。John Uicker及他的博士学生Pradip Sheth引入了创新的方法用来选取独立坐标。John Uicker作为研究生在1961年来到西北大学,他的博士导师是Jacques Denavit和Richard S. Hartenberg,他们在NSF资助下开发了Denavit-Hartenberg标记,广泛应用于机器人系统。在西北大学的四年里,Uicker遇到了Milton A. Chace,他们成为了朋友。Chace在密歇根从事平行研究,他的导师是Joseph Shigley。Chace,在1964年得到博士学位,他后来是Orlandea的指导老师。Uicker在1965年得到博士学位,在法兰克福兵工厂服役了两年,1967年取了威斯康星-麦迪森大学。Sheth 在1968年获得硕士学位,导师是Donald F. Livermore。Sheth之后成为了Uicker的博士生,并在1972年获得了博士学位。他们对于广义坐标分解做了基础性研究,后来在爱荷华大学进一步发展。



在Lagrangian方法中,某个部件上的点的可用矢量r表示,r=r(q1, q2, …, qn),其中q1, q2, …, qn是用来描述系统的,这些坐标对于大型约束系统或者简单闭环系统可用代数方程表示,对于复杂系统,独立坐标的鉴定就比较复杂,对于更小的闭环系统,又容易出现奇异。对于4连杆,两个回路方程用三个角度表示,而系统只有一个自由度,在整个仿真过程中不能仅使用一个角度。Sheth 和Uicker指出了用数值的方法判断独立坐标。代数约束方程的雅克比矩阵用来判断坐标之间的独立性。Sheth和Uicker将这种方法用于一种第一代的通用计算程序IMP(Integrated Mechanism Proogram),试着将其商业化,但是都不成功。值得一提的是,Sheth博士毕业后,到了密歇根大学读起了博士后,Nicolae Orlandea上过他的课。后来加入了弗吉尼亚大学,不幸的是,2009年过世了。

多体动力学历史的重要一页的图2

John Uicker在伊利诺斯大学的讲话2016.5.27

   

Roger Wehage:密歇根大学及威斯康星大学的研究是爱荷华大学研究项目的基础。获取博士学位后,Nicolae Orlandea作为访问教授加入了爱荷华州立大学1年,之后取了John Deere。在70年代中期,电气工程师Roger Wehage决定转行。之前在工业及空军的工作经历,Wehage对于结构振动及疲劳问题产生了兴趣,1973年他在爱荷华州立大学机械工程拿到了硕士学位,他在那里遇见了Orlandea,并介绍了多体动力学,Wehage与Orlandea以前工作,开发了平面的ADAMS计算程序,他还与Paul W. Claar一起研究ADAMS与IMP的特性。


获得硕士学位后,Wehage因为家庭问题并没有继续读博,但是Orlandea背着他把他推荐给了Edward Haug,爱荷华大学的教授,主要为U.S. Army Tank-Automotive Research、Development and Engineering Center做事。Wehage起先拒绝了,后来因为找不到好工作就又继续了。


受到Sheth及Uicker的影响,Wehage拓展了广义坐标分解的方法,使之能够处理任意开环及闭环的系统,系统用绝对直角坐标系。他也使用了稀疏矩阵方法,保证约束方程在位移、速度、加速度层面都是满足的。稀疏矩阵配合广义坐标分解,并不需要对雅克比矩阵求逆,奠定了另外一款软件DADS(Dynamic Analysis and Design System)。Wehage在爱荷华大学当助力教授,后来去了TARDEC,1995年,又加入了卡特彼勒。随着1979年DADS的开发,他于1985年指导开发了位于德国IABG的NUSTAR MBD程序,在1991年指导开发了TRADEC的SOVAS MBD程序,1997年指导了卡特彼勒的TomSim MBD程序。

多体动力学历史的重要一页的图3

Roger Wehage在伊利诺斯大学的讲话2016.5.27

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