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 自由度操纵运动和平面运动载体)。
约束运动方程由刚体的一般完整约束方程推导得出:
(4900)
其中, 为时间, 为坐标矢量:
(4901)
对于受约束体,并非 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:
(4902)
其中, 为总约束数。 独立坐标的矢量可以写为:
(4903)
使用广义坐标时,只需 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) 和方向矩阵 :
(4904)
对这些方程求微分,得到平移和旋转速度为:
(4905)
其中, 和 为 平移和旋转的雅可比矩阵, 为刚体围绕其进行旋转的瞬时矢量。
对 Eqn. (4905) 求微分,得到刚体的加速度:
(4906)
其中:
(4907)
且
(4908)
约束条件下的控制方程则可以写为:
(4909)
且
(4910)
且
(4911)
其中, 为体质量, 为基准坐标系中的惯性矩张量, 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,。 对于所有其他运动,。
力与力矩矢量 定义如下:
(4912)
可分成两部分:
(4913)
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。 表示保持给定约束的力(或力矩)。
要消除 ,可在 Eqn. (4909) 的两侧同时乘以 ,代入 Eqn. (4913),然后使用 。 获得:
(4914)
此方程具有 个变量。