约束运动方程

Simcenter STAR-CCM+ 提供的运动选项可将物理约束应用于体运动,例如,强制体在指定平面上移动。 这些约束允许某些自由度并限制其他自由度。

本节介绍存在物理约束时运动方程的一般形式。 将在单独章节中介绍 Simcenter STAR-CCM+ 提供的约束运动方程中显示的物理量的具体形式(4 自由度操纵运动平面运动载体)。

约束运动方程由刚体的一般完整约束方程推导得出:

1. EQUATION_DISPLAY
ϕ(d,t)=0
(4900)

其中,t 为时间,d 为坐标矢量:

2. EQUATION_DISPLAY
d=(rxryrzϕθψ)
(4901)

对于受约束体,并非 d 的所有分量都为独立分量。 因此,根据广义独立坐标编写 Eqn. (4900) 十分方便。 描述刚体运动所需的最小独立变量数由受约束体的自由度数给出:

3. EQUATION_DISPLAY
f=6-p
(4902)
其中,p 为总约束数。 独立坐标的矢量可以写为:
4. EQUATION_DISPLAY
q=(q1q2qf)
(4903)

使用广义坐标时,只需 f 方程。 要推导一般约束运动方程,将根据独立坐标编写基准坐标系中的体位置(相关坐标)rg 和方向矩阵 Tg

5. EQUATION_DISPLAY
rg=r(q,t)Tg=T(q,t)
(4904)

对这些方程求微分,得到平移和旋转速度为:

6. EQUATION_DISPLAY
vg=qrq˙+tr=JTq˙+v'ωg=qtq˙+tt=JRq˙+ω'
(4905)

其中,JT=r/qJR=t/q3×f 平移和旋转的雅可比矩阵,t=(txtytz)T 为刚体围绕其进行旋转的瞬时矢量。

Eqn. (4905) 求微分,得到刚体的加速度:

7. EQUATION_DISPLAY
v˙g=JTq¨+LT+v˙'ω˙g=JRq¨+LR+ω˙'
(4906)

其中:

8. EQUATION_DISPLAY
v'˙=2rt2
(4907)

9. EQUATION_DISPLAY
LT=q(JTq˙)+2qv'LR=q(JRq˙)+2qv'+tJR
(4908)

约束条件下的控制方程则可以写为:

10. EQUATION_DISPLAY
M_q¨+N_=Fg
(4909)

11. EQUATION_DISPLAY
M¯=(mJTMgJR)
(4910)

12. EQUATION_DISPLAY
N_=(mLTq·+mv˙'+m[(JRq¨+LRq·+ω')×rPC+(JRq·+ω')×((JRq·+ω')×rPC)]MgLRq·Mgω'+(JRq·+ω')×Mg(JRq·+ω') )
(4911)

其中,m 为体质量,Mg 为基准坐标系中的惯性矩张量,rPC 为位置矢量,用于描述旋转中心与质心之间的距离。 仅对于平面运动载体机构,rPC0。 对于所有其他运动,rPC=0

力与力矩矢量 Fg 定义如下:

13. EQUATION_DISPLAY
Fg=(fgng)
(4912)

Fg 可分成两部分:

14. EQUATION_DISPLAY
Fg=Fi,g+Fq,g
(4913)

Fi,g 表示作用于体的外力(或力矩)。 这些力可从流体流或任何外部源获取。 Fq,g 表示保持给定约束的力(或力矩)。

要消除 Fq,g,可在 Eqn. (4909) 的两侧同时乘以 JT,代入 Eqn. (4913),然后使用 JTFq=0。 获得:

15. EQUATION_DISPLAY
(JTM_)q¨+JTN_=JTFi,g
(4914)

此方程具有 f=6-p 个变量。