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XPBD算法的Cosserat杆约束函数设计与分组求解方法
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作者 李依龙 吴志刚 《力学学报》 北大核心 2025年第9期2223-2234,共12页
柔性绳索结构因质量轻、高柔性和可设计性强等特点,在航空航天及机器人等工程领域得到广泛应用.由于几何大变形与材料非线性等因素影响,利用非线性有限元等高精度方法分析这类柔性结构的动力学特性时,存在模型复杂、计算量大和难以高效... 柔性绳索结构因质量轻、高柔性和可设计性强等特点,在航空航天及机器人等工程领域得到广泛应用.由于几何大变形与材料非线性等因素影响,利用非线性有限元等高精度方法分析这类柔性结构的动力学特性时,存在模型复杂、计算量大和难以高效仿真等问题.文章改进了起源于计算机图形学的XPBD(extended position based dynamics)算法,设计了新的约束函数与迭代方法,使其适用于柔性绳索结构的动力学仿真.主要贡献包括:引入旋转向量以更准确描述结构姿态,基于Cosserat弹性杆理论设计了更精确的约束函数,采用约束能量作为迭代收敛判据以提高仿真精度,提出分组求解约束的方法提高迭代计算效率.还以索-杆复合结构为例验证了改进算法的有效性:与ADAMS软件相比,改进算法具有更好的稳定性,且计算效率大致相当;与原XPBD算法相比,改进算法显著提高了求解精度.改进算法引入了旋转向量,使约束函数的设计更灵活,计算框架也更利于并行化,具有在复杂柔性结构动力学仿真中进一步应用的优势和潜力. 展开更多
关键词 xpbd 算法 绳索结构动力学 COSSERAT 约束函数
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径向肋式索网天线展开过程XPBD建模与动力学仿真分析
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作者 李依龙 寻广彬 吴志刚 《中国科学:物理学、力学、天文学》 北大核心 2025年第9期228-243,共16页
随着对星载天线工作频率和增益指标要求的不断提高,大口径、可展开、高精度的索网天线成为星载天线发展的关键技术.径向肋式可展开索网天线具有形式简单、结构稳定、展开可靠性高等特点,是目前星载天线的主要形式之一.本文提出了一种径... 随着对星载天线工作频率和增益指标要求的不断提高,大口径、可展开、高精度的索网天线成为星载天线发展的关键技术.径向肋式可展开索网天线具有形式简单、结构稳定、展开可靠性高等特点,是目前星载天线的主要形式之一.本文提出了一种径向肋式索网天线反射器结构方案,反射器由张拉索网结构构成反射面,由6根径向肋构成支撑骨架,并通过混合找形找力法设计了6支撑点边界条件下近似等张力的索网预紧力分布方案.为分析反射器通过旋转伸缩径向肋进行展开的复杂动力学过程,基于XPBD(Extended Position-based Dynamics)算法逻辑框架扩展了旋转状态的求解方法,并分别基于非线性悬索模型与Cosserat梁模型设计了用于建立天线动力学模型的约束函数体系,相较于采用四元数建立的算法,本文基于旋转向量建立的算法更简洁高效.首先选择柔索自由摆算例,通过与绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)的计算结果进行对比,结果表明XPBD算法结果准确可靠,且计算效率与ADAMS软件相当.然后对天线展开过程进行动力学仿真,结果表明结构之间的碰撞效应与非线性特征符合物理规律,天线展开过程稳定,展开后索网反射面的型面精度满足设计要求,验证了天线结构和展开机构方案的合理性与有效性. 展开更多
关键词 肋式索网天线 折叠结构 xpbd算法 Cosserat梁 动力学仿真
原文传递
同一场景中异质布料的动态绘制 被引量:1
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作者 唐勇 安阳阳 +3 位作者 张豆 刘宇涵 任小霞 贾江凯 《小型微型计算机系统》 CSCD 北大核心 2018年第12期2716-2719,共4页
在运动仿真中异质布料属性不同,使得姿态变化不一样,统一设定迭代次数又会造成计算资源的不合理分配,因而,在PBD的基础上探索异质布料的动态绘制.首先,引入自由质点约束因子改进LRAs模型,解决自由质点间距离过长问题,并根据属性约束构... 在运动仿真中异质布料属性不同,使得姿态变化不一样,统一设定迭代次数又会造成计算资源的不合理分配,因而,在PBD的基础上探索异质布料的动态绘制.首先,引入自由质点约束因子改进LRAs模型,解决自由质点间距离过长问题,并根据属性约束构建异质布料;然后,在XPBD解决同一布料中刚度依赖迭代次数的基础上,采用独立迭代的方式对约束方程进行求解,保证不同布料的迭代独立,并根据场景中不同约束所占比重不同设置不同的迭代次数,优化计算资源分配;之后,为加快求解过程,用Jacobi替代PBD中的Gauss-Seidel方法,以并行方式计算各约束;最后绘制不同平台下异质布料间的碰撞.实验结果表明,该方法能够快速绘制运动过程中的异质布料. 展开更多
关键词 异质布料 独立迭代 xpbd JACOBI
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Augmented reality-based visual-haptic modeling for thoracoscopic surgery training systems 被引量:1
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作者 Yonghang TAI Junsheng SHI +2 位作者 Junjun PAN Aimin HAO Victor CHANG 《Virtual Reality & Intelligent Hardware》 2021年第4期274-286,共13页
Background Compared with traditional thoracotomy,video-assisted thoracoscopic surgery(VATS)has less minor trauma,faster recovery,higher patient compliance,but higher requirements for surgeons.Virtual surgery training ... Background Compared with traditional thoracotomy,video-assisted thoracoscopic surgery(VATS)has less minor trauma,faster recovery,higher patient compliance,but higher requirements for surgeons.Virtual surgery training simulation systems are important and have been widely used in Europe and America.Augmented reality(AR)in surgical training simulation systems significantly improve the training effect of virtual surgical training,although AR technology is still in its initial stage.Mixed reality has gained increased attention in technology-driven modern medicine but has yet to be used in everyday practice.Methods This study proposed an immersive AR lobectomy within a thoracoscope surgery training system,using visual and haptic modeling to study the potential benefits of this critical technology.The content included immersive AR visual rendering,based on the cluster-based extended position-based dynamics algorithm of soft tissue physical modeling.Furthermore,we designed an AR haptic rendering systems,whose model architecture consisted of multi-touch interaction points,including kinesthetic and pressure-sensitive points.Finally,based on the above theoretical research,we developed an AR interactive VATS surgical training platform.Results Twenty-four volunteers were recruited from the First People's Hospital of Yunnan Province to evaluate the VATS training system.Face,content,and construct validation methods were used to assess the tactile sense,visual sense,scene authenticity,and simulator performance.Conclusions The results of our construction validation demonstrate that the simulator is useful in improving novice and surgical skills that can be retained after a certain period of time.The video-assisted thoracoscopic system based on AR developed in this study is effective and can be used as a training device to assist in the development of thoracoscopic skills for novices. 展开更多
关键词 Augmented reality VATS Surgery training xpbd
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