Úvod do simulace dynamiky sypkých hmot

Podobné dokumenty
Faster Gradient Descent Methods

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

1 Projekce a projektory

Katedra matematiky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze Příjmení a jméno ➊ ➋ ➌ ➍ ➎ ➏ Bonus

Definice 28 (Ortogonální doplněk vektorového podprostoru). V k V n ; V k V. (Pech:AGLÚ/str D.5.1)

14. přednáška. Přímka

Metody vnitřních bodů pro řešení úlohy lineární elasticity s daným třením

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Lineární algebra : Metrická geometrie

Vlastní čísla a vlastní vektory

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

FYZIKA I. Rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený a nerovnoměrně zrychlený rotační pohyb

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

Přijímací zkoušky z matematiky pro akademický rok 2018/19 NMgr. studium Učitelství matematiky ZŠ, SŠ

2D transformací. červen Odvození transformačního klíče vybraných 2D transformací Metody vyrovnání... 2

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

Michael Valášek Vedoucí práce: doc. Ing. Václav Bauma, CSc.

TSO NEBO A INVARIANTNÍ ROZPOZNÁVACÍ SYSTÉMY

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Mechanika

Aplikovaná numerická matematika

Vlastní čísla a vlastní vektory

Rotace ve 3D a kvaterniony. Eva Blažková a Zbyněk Šír (MÚ UK) - Rotace ve 3D a kvaterniony 1 / 16

Čebyševovy aproximace

Shodnostní Helmertova transformace

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

Eukleidovský prostor a KSS Eukleidovský prostor je bodový prostor, ve kterém je definována vzdálenost dvou bodů (metrika)

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

Kvaterniony, duální kvaterniony a jejich aplikace

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

III. MKP vlastní kmitání

19 Eukleidovský bodový prostor

Matematika pro chemické inženýry

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Problém lineární komplementarity a kvadratické programování

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Matematika 1. 1 Derivace. 2 Vlastnosti a použití. 3. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 16

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

Parametrické rovnice křivky

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

1 Determinanty a inverzní matice

terminologie předchozí kapitoly: (ϕ, Ω) - plocha, S - geometrický obraz plochy

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

Vybrané kapitoly z matematiky

Numerické metody optimalizace - úvod

označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,

Uzavřené a otevřené množiny

13. cvičení z Matematické analýzy 2

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Změna koeficientů PDR při změně proměnných

Literatura: Kapitola 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

LWS při heteroskedasticitě

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

KMS cvičení 9. Ondřej Marek

Ortogonální transformace a QR rozklady

2. Schurova věta. Petr Tichý. 3. října 2012

Ortogonální transformace a QR rozklady

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

5. cvičení z Matematiky 2

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Statika. fn,n+1 F = N n,n+1

Poznámka. V některých literaturách se pro označení vektoru také používá symbolu u.

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Úvod do lineární algebry

Diferenciální geometrie

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

Základy matematiky pro FEK

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

7 Ortogonální a ortonormální vektory

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Cvičení z Lineární algebry 1

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

1. Regulace otáček asynchronního motoru - skalární řízení

Obr. 9.1 Kontakt pohyblivé části s povrchem. Tomuto meznímu stavu za klidu odpovídá maximální síla, která se nezývá adhezní síla,. , = (9.

a vlastních vektorů Příklad: Stanovte taková čísla λ, pro která má homogenní soustava Av = λv nenulové (A λ i I) v = 0.

Aproximace posuvů [ N ],[G] Pro každý prvek se musí nalézt vztahy

Aritmetické vektory. Martina Šimůnková. Katedra aplikované matematiky. 16. března 2008

Geometrické transformace pomocí matic

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Transkript:

Úvod do simulace dynamiky sypkých hmot Lukáš Pospíšil Katedra aplikované matematiky, VŠB - Technická Univerzita Ostrava Seminář aplikované matematiky, 1. 4. 2014

Osnova formulace problému transformace lokálních souřadnic Eulerovy úhly jednotkové kvaterninony rotace od pozice k rychlosti kontaktní úlohy bez tření, reformulace na QP krátce o Coulombovském tření Přednáška obsahuje 4 videa, jeden příklad a jeden důkaz.

Formulace problému 2 1 0 5 1 2 2 0 2 2 1 0 1 2 4 3 2 2 1 1 0 1 0 2 2 0 2 2 2 1 0 1 2 1 2 2 1 0 0 1 2 2 0 2 2 1 0 1 2 2 4 2 0 2 4

Formulace problému Vztah mezi lokálním a globálním systémem T := [T x, T y, T z] T - poloha těžiště v globálním souřadnicovém systému, φ, θ, ψ - Eulerovy úhly rotace. r glob = T + Rr lok r lok R 3 souřadnice bodu v lokálním systému, r glob R 3 souřadnice bodu v globálním systému. R R 3,3 matice rotace (z φ, θ, ψ).

Eulerovy úhly rotace 2 1 0 1 2 r lok R 3 2 0 2 2 1 0 1 2

Eulerovy úhly rotace 2 1 0 1 2 2 R 1 = cos φ sin φ 0 sin φ cos φ 0 0 0 1 R 1r lok 0 2 2 1 0 1 2

Eulerovy úhly rotace 2 1 0 1 2 2 R 2 = 1 0 0 0 cos θ sin θ 0 sin θ cos θ R 2R 1r lok 0 2 2 1 0 1 2

Eulerovy úhly rotace 2 1 0 1 2 2 R 1 = cos ψ sin ψ 0 sin ψ cos ψ 0 0 0 1 R 3R 2R 1r lok 0 2 2 1 0 1 2

Eulerovy úhly rotace R = r glob = T + R } 3R {{ 2R } 1 =:R cos ψ cos φ cos θ sin φ sin ψ sin ψ cos φ cos θ sin φ cos ψ sin θ sin φ cos ψ cos φ + cos θ cos φ sin ψ sin ψ sin φ + cos θ cos φ cos ψ sin θ sin φ sin θ sin ψ sin θ cos φ cos θ Úloha se mění v čase (T x(t), T y (t), T z(t), φ(t), θ(t), ψ(t)), tj. okamžitá poloha bodu v čase t R + r glob(t) = T (t) + R(t)r lok r lok

Rychlost r glob (t) = T (t) + R(t)r lok Okamžitá rychlost Okamžitou rychlost získáme derivací dle t ṙ glob = Ṫ + Ṙr lok Ṙ =?

Rychlost R je ortogonální, tj. derivací Úpravou R T R = I, ṘR T + RṘ T = 0. ṘR T = RṘT ṘR T = (ṘRT ) matice ṘRT je antisymetrická. Je to matice vektorového součinu.

Matice vektorového součinu Mějme u = [u 1, u 2, u 3] T R 3, v = [v 1, v 2, v 3] T R 3. Pak i j k u v = u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 = (u 2v 3 v 2 u 3 )i+(u 3 v 1 u 1 v 3 )j+(u 1 v 2 u 2 v 1 )k = u 2v 3 v 2 u 3 u 3 v 1 u 1 v 3 u 1 v 2 u 2 v 1 Lze však také maticově u v = ũv = u 2v 3 v 2u 3 u 3v 1 u 1v 3 u 1v 2 u 2v 1 kde ũ R 3,3 je matice vektorového součinu 0 u 3 u 2 ũ := u 3 0 u 1. u 2 u 1 0 Tato matice je antisymetrická, tj. ũ = ũ T

Rychlost Označme Pak úpravou Dosazením ω := R T Ṙ. ω = R T Ṙ R ω = RR T Ṙ R ω = Ṙ ṙ glob = Ṫ + Ṙr lok ṙ glob = Ṫ + R ωr lok ṙ glob = Ṫ + R( ω r lok) kde ω = [ φ, θ, ψ] T R 3 je úhlová rychlost.

Motivace r glob = T + Rr lok ṙ glob = Ṫ + R( ω r lok) Vyčíslit R znamená vyčíslit goniometrické funkce. Jednotkový kvaternion rotace R 3 [φ, θ, ψ] := ω e := [e 0, e 1, e 2, e 3] R 4, e = 1 Díky této reprezentaci nebude nutno vyčíslovat goniometrické funkce.

Kvaternion rotace - motivace [φ] [e 0, e 1] Polární souřadnice e1 e0 e 0 = cos φ e 1 = sin φ

Kvaternion rotace - motivace Sférické souřadnice [φ, θ] [e 0, e 1, e 2] e2 e0 e 0 = sin φ cos θ e 1 = sin φ sin θ e 2 = cos φ e 1

Kvaternion rotace - motivace Kvaternion rotace [φ, θ, ψ] [e 0, e 1, e 2, e 3] e 0 = cos ( 1 2 (φ + θ)) cos ( 1 2 ψ) e 1 = cos ( 1 2 (φ θ)) sin ( 1 2 ψ) e 2 = sin ( 1 2 (φ θ)) sin ( 1 2 ψ) e 3 = sin ( 1 2 (φ + θ)) cos ( 1 2 ψ)

Kvateriony místo Eulerových úhlů Zaved me matice kde E := G := e 1 e 0 e 3 e 2 e 2 e 3 e 0 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 e 1 e 0 e 3 e 2 e 2 e 3 e 0 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 e 123 = [e 1, e 2, e 3] T, = [ e 123, ẽ 123 + e 0I ] = [ e 123, ẽ 123 + e 0I ] e = [e 0, e 1, e 2, e 3] T = [e 0, e T 123] T

Kvateriony místo Eulerových úhlů Platí Ee = Ge = e 1 e 0 e 3 e 2 e 2 e 3 e 0 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 e 1 e 0 e 3 e 2 e 2 e 3 e 0 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 e 0 e 1 e 2 e 3 e 0 e 1 e 2 e 3 = 0 = 0

Kvateriony místo Eulerových úhlů Platí EE T = e 1 e 0 e 3 e 2 e 2 e 3 e 0 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 e 1 e 2 e 3 e 0 e 3 e 2 e 3 e 0 e 1 e 2 e 1 e 0 = I R3 (Matice E má ortonormální řádky) e 1 e 2 e 3 E T E = e 0 e 3 e 2 e 1 e 0 e 3 e 2 e 3 e 0 e 1 e 2 e 3 e 0 e 1 e e 2 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 0 = I ee T R 4 Obdobně GG T = I, G T G = I ee T

Kvateriony místo Eulerových úhlů Platí (!) EG T = e 1 e 0 e 3 e 2 e 2 e 3 e 0 e 1 e 3 e 2 e 1 e 0 e 1 e 2 e 3 e 0 e 3 e 2 e 3 e 0 e 1 e 2 e 1 e 0 e0 2 e1 2 e2 2 e3 2 2e 1e 2 2e 0e 3 2e 1e 3 + 2e 0e 2 = 2e 1e 2 + 2e 0e 3 e0 2 e1 2 + e2 2 e3 2 2e 2e 3 2e 1e 0 2e 1e 3 2e 0e 2 2e 2e 3 + 2e 1e 0 e0 2 e1 2 e2 2 e3 2 = = R Obdobně se dá ukázat Pak EĠT = ĖGT Ṙ = ĖG T + EĠ T = 2EĠ T

Kvateriony místo Eulerových úhlů Pro derivaci kvaterninů platí (dá se ukázat z vlastností vektorového součinu) ė = 1 2 E T ω Proto dále budeme popisovat polohu lokálních souřanic v globálním systému pomocí zobecněného vektoru pozice a zobecněného vektoru rychlostí T x Ṫ T y x T z Ṫ y q i := e 0 R 7 Ṫ z, v i := R 6 e 1 φ e 2 θ e 3 ψ

Od rychlosti k poloze Časové schéma Aproximace derivace diferencí q(t) := lim h 0 q(t + h) q(t) h q(t) = q(t + h) q(t) h. Časové schéma má pak tvar q(t + h) = q(t) + h q(t), kde h R + je dostatečně malý časový krok. S kvaternionem rotace pak [ ] I 0 q(t + h) = q(t) + h 1 0 E T v(t). 2 }{{} =:Q

Algoritmus Dáno q(0) R 7nb, v(0) R 6nb. Zvol časový krok h > 0 t := 0 dokud t < t max q(t + h) := q(t) + hqv(t) spočti v(t + h) t := t + h konec dokud

První test pust animaci.

Výpočet rychlosti Úkolem je tedy nalézt vektor aktuální rychlosti v(t), jehož přírůstek oproti v(t h) je závislý na hmotnosti jednotlivých těles, působících vnějších silách F (t, q, v), kontaktech a omezujících podmínkách. M v = F C + F ext M(v(t + h) v(t)) = h(f ext + F C ), kde M je zobecněná matice hmotnosti (diagonální), F C je vektor sil vyvolaných omezením, F ext je vektor vnějších sil. Úpravou v(t + h) = v(t) + hm 1 (F ext + F C )

Vektor vnějších sil - gravitace F g = m.g, m = ρ.v Dáno q(0) R 7nb, v(0) R 6nb. Zvol časový krok h > 0 t := 0 dokud t < t max F ext = [0, 0, F g, 0, 0, 0] T q(t + h) := q(t) + hqv(t) v(t + h) := v(t) + M 1 (F ext + F C ) t := t + h konec dokud

Druhý test pust další skvělou animaci.

Kontakt a omezení Uvažujme kontakt mezi tělesy T A a T B. T A F A C F B T B

Kontakt a omezení Označme n A (C) jako vnější jednotkovou normálu tělesa T A v bodě kontaktu C v globálním souřadnicovém systému. Změna pozice těžiště Těleso T A působí na těleso T B silou F B := γn A (C), kde γ 0 je neznámá velikost působící síly. Tato síla ovlyvní změnu polohy tělesa T B (složky rychlosti tělesa odpovídající poloze těžiště). Změna rotace tělesa Změnu rotace tělesa T B ovlyvňuje kroutící moment M B := C B F B, kde C B jsou souřadnice bodu C v lokálním souřadnicovém systému tělesa T B.

Kontakt a omezení Úpravou M B = C B F B = γ(c B n A (C)) = γ C B n A (C). Naopak na těleso T A působí opačná síla F A := γn A (C), a kroutící moment M A := C A F A = γ C A n A (C).

Kontakt a omezení Připomeňme kde F C := F A M A F B M B D := = γn A (C) γ C A n A (C) γn A (C) γ C B n A (C) n A (C) C A n A (C) n A (C) C B n A (C). = γd,

Kontakt a omezení Pokud se nám podaří určit velikost působící síly γ, pak výslednou změnu rychlosti lze spočítat z rovnice kde γ := h γ. M(v(t + h) v(t)) = hf ext + Dγ,

Kontakt a omezení Příklad Uvažujme systém tří těles T (1), T (2), T (3). T (1) C (1,2) C (1,3) C (2,3) T (3) T (2)

Kontakt a omezení vektor zobecněné polohy q = [q(1), T q(2), T q(3)] T T R 3 7 vektor zobecněné rychlosti v = [v(1), T v(2), T v(3)] T T R 3 6. Hledáme velikosti šesti neznámých sil: síla, kterou působí těleso T (1) na těleso T (2), síla, kterou působí těleso T (2) na těleso T (1), síla, kterou působí těleso T (2) na těleso T (3), síla, kterou působí těleso T (3) na těleso T (2), síla, kterou působí těleso T (1) na těleso T (3), síla, kterou působí těleso T (3) na těleso T (1), čili hledáme γ = [γ (1,2), γ (2,1), γ (2,3), γ (3,2), γ (1,3), γ (3,1) ] T R 6.

Kontakt a omezení Matice D R 3 6,6 má blokovou strukturu D = n (1) (C (1,2) ) n (2) (C (1,2) ) 0 C (1) (1,2) n (1) (C (1,2) ) C(1) (1,2) n (2) (C (1,2) ) 0 n (1) (C (1,2) ) n (2) (C (1,2) ) n (2) (C (2,3) ) C (2) (1,2) n (1) (C (1,2) ) (2) C (1,2) n (2) (C (1,2) ) (2) C (2,3) n (2) (C (2,3) ) 0 0 n (2) (C (2,3) ) 0 0 C(3) (2,3) n (2) (C (2,3) ) 0 n (1) (C (1,3) ) n (3) (C (1,3) ) 0 C (1) (1,3) n (1) (C (1,3) ) C(1) (1,3) n (3) (C (1,3) ) n (3) (C (2,3) ) 0 0 C (2) (2,3) n (3) (C (2,3) ) 0 0 n (3) (C (2,3) ) n (1) (C (1,3) ) n (3) (C (1,3) ) C (3) (2,3) n (3) (C (2,3) ) C(3) (1,3) n (1) (C (3) (1,3) ) C (1,3) n (3) (C (1,3) )

Kontakt a omezení Podmínku nepronikání těles T A a T B popisuje tzv. gap funkce Φ : R 7+7 R vzdálenost těles (nejmenší vzdálenost bodů jednoho a druhého tělesa). Platí Φ([q A, q B ]) = 0 pokud jsou tělesa v kontaktu, Φ([q A, q B ]) > 0 pokud tělesa nejsou v kontaktu, Φ([q A, q B ]) < 0 pokud tělesa pronikla do sebe. Pro normálové napětí v bodě kontaktu platí pokud jsou tělesa v kontaktu, normálové napětí existuje, pokud tělesa nejsou v kontaktu, normálové napětí neexistuje. Získáme podmínku komplementarity a tedy užitím gap funkce lze definovat podmínky pro výpočet velikosti působících sil (numericky stabilnější) 0 Φ(q) γ 0. 0 1 h Φ(q) + DT v(t + h) γ 0.

Linear complementarity problem Úkolem je tedy řešit následující problém. Linear complementarity problem (LCP) M(v(t + h) v(t)) = hf ext + Dγ 1 h Φ(q) + DT v(t + h) 0 1 h Φ(q) + DT v(t + h) γ γ 0 (1a) (1b) (1c) (1d) Ne.

QP s lineárním omezením Theorem Řešení optimalizační úlohy 1 min γ 0 2 γt Nγ + r T γ, (2) kde N := D T M 1 D r := 1 h Φ + DT M 1 k k := Mv(t) + h.f ext (3a) (3b) (3c) je ekvivalentní s řešením původní úlohy (LCP).

QP s lineárním omezením Důkaz Lagrangeova funkce má tvar a odpovídající KKT podmínky L(γ, λ) = 1 2 γt Nγ + r T γ λ T γ Nγ + r λ = 0 γ 0 λ 0 γ T λ = 0 Podmínky (4b) a (1d) jsou stejné. Z podmínky (4a) přímo plyne a spolu s (3a),(3b),(3c) a dosazením do (4d) získáme (4a) (4b) (4c) (4d) λ = Nγ + r (5) 0 = γ T λ = γ T (Nγ + r) = = γ T (D T M 1 Dγ + 1 Φ + h DT M 1 k) γ T (D T M 1 Dγ + 1 Φ + h DT M 1 (Mv(t) + h.f ext)) = γ T ( 1 Φ + h DT (v(t) + M 1 Dγ + h.m 1 F ext))

QP s lineárním omezením Následně užitím (1a) získáme 0 = γ T ( 1 h Φ + DT (v(t) + M 1 Dγ + h.m 1 F ext)) což je podmínka (1c). Nakonec dosazením podmínky (5) do (4c) lze získat což je podmínka (1b). 0 λ = Nγ + r = 1 h Φ + DT v(t + h),

Algoritmus Dáno q(0) R 7nb, v(0) R 6nb. Zvol časový krok h > 0 t := 0 dokud t < t max q(t + h) := q(t) + hqv(t) Nalezeni kontakty. Pokud neexistují kontakty, polož γ := 0 Pokud existují kontakty, sestav N, r a vyřeš optimalizační problém v(t + h) := v(t) + M 1 (hf ext + Dγ) t := t + h konec dokud

Třetí test Neflákej se a pust další animaci.

Tření Uvažujme (opět) kontakt mezi tělesy T A a T B. Označme n R 3 jednotkový normálový vektor kontaktu v globálních souřadnicích, u, w R 3 jednotkové směrové vektory kontaktní roviny v globálních souřadnicích. Očividně {n, u, w} je množina ortonormálních vektorů (a tvoří bázi tečného prostoru). Třecí sílu působící v bodě kontaktu na těleso A pak můžeme vyjádřit jako kde F = F n + F T = γ nn + γ uu + γ w w, F n = γ nn R 3 je normálová složka třecí síly, F T = γ uu + γ w w R 3 je tečná složka třecí síly, γ n > 0 je velikost normálové složky třecí síly F, γ u, γ w R jsou velikosti tečných složek třecí síly F.

Tření Vztah mezi jednotlivými složkami třecí síly popisuje například Coulombův model tření. Coulombův model tření γ n 0, Φ(q) 0, Φ(q)γ n = 0, (6a) γ 2 u + γw 2 µγ n, (6b) ( v T µγ n ) γu 2 + γw 2 = 0, (6c) F T, v T = F T. v T. (6d) Objasněme význam jednotlivých rovnic.

Tření γ n 0, Φ(q) 0, Φ(q)γ n = 0 podmínka komplementarity gap funkce Φ a velikosti normálové složky γ n normálová složka třecí síly je vždy nezáporná (pokud uvažujeme kontakt, pak těleso A nemůže působit na těleso B silou, která směřuje od tělesa B), hodnota gap funkce je vždy nezáporná (vzdálenost těles A a B je nezáporná), pokud je normálová složka nenulová, pak je nulová vzdálenost těles, pokud je vzdálenost těles nenulová, pak je normálová složka třecí síly nulová, může nastat situace, že vzdálenost těles je nulová i normálová složka třecí síly je nulová (tělesa jsou v klidu v kontaktu).

Tření γ 2 u + γ 2 w µγ n rovnice vztahu mezi velikostí normálové složky třecí síly a tečné složky třecí síly, tj. F T µ F N, kde µ 0, 1 je koeficient tření takový, že pokud µ = 1, pak velikost tečné složky třecí síly může být maximálně rovna velikosti normálové síly, pokud µ = 0, pak velikost tečné složky třecí síly je vždy nulová, čili síla působí pouze ve směru normály kontaktu a tedy nedochází ke tření.

Tření ( v T µγ n ) γu 2 + γw 2 = 0 podmínka komplementarity mezi velikostí rychlosti pohybu tělesa v tečném směru a dosažení maximální možné velikosti třecí síly vzhledem k omezení předchozí rovnicí pokud nedojde k maximální možné velikosti třecí síly vzhledem k µ, tj. F T < µ F N, pak velikost tečné rychlosti tělesa je nulová. pokud naopak dojde k maximální možné velikosti tečné síly, pak dochází k přesmyku a velikost tečné rychlosti může být jakákoliv.

Tření F T, v T = F T. v T podmínka směru třecí síly a tečné rychlosti, konkrétně pro úhel mezi těmito vektory platí cos ϕ = F T, v T = 1, tj. ϕ = π. F T. v T Čili tečná složka třecí síly má opačný směr jako vektor rychlosti přesmyku (kluzná rychlost).

Tření Obdobně jako v úloze bez tření F A := γ nn γ uu γ w w = Sγ, F B := γ nn + γ uu + γ w w = Sγ, kde γ := [γ n, γ u, γ w ] T R 3 S := [n, u, w] R 3,3

Tření Pak kde M A := C A F A = C A (Sγ) = C A Sγ, M B := C B F B = C B (Sγ) = C B Sγ, F C := F A M A F B M B D := = Sγ C A Sγ Sγ C B Sγ S C A S S C B S. = Dγ,

Quadratic Cone Complementarity problem Theorem Řešení optimalizační úlohy kde 1 min γ Ω 2 γt Nγ + r T γ, N := D T M 1 D r := [ 1 h Φ, 0, 0]T + D T M 1 k k := Mv(t) + h.f ext Ω := Ω 1 Ω nc (7a) (7b) (7c) (7d) (7e) Ω i := {[x, y, z] T R 3 : y 2 + z 2 µ i x} (7f) je ekvivalentní s řešením původní úlohy.

Quadratic Cone Complementarity problem Důkaz Příště.

Otevřené problémy h =? efektivní implementace (GPU) detekce kontaktů domain decomposition (?) QP řešič

Děkuji za pozornost Dostál, Z.: Optimal Quadratic Programming Algorithms, with Applications to Variational Inequalities, SOIA, first ed., vol. 23, Springer, US, New York, 2009. Heyn T.: On the Modeling, Simulation, and Visualization of Many-Body Dynamics Problems with Friction and Contact. Ph.D. Thesis, 2013. online Heyn T., Anitescu M., Tasora A., Negrut D.: Using Krylov Subspace and Spectral Methods for Solving Complementarity Problems in Many-Body Contact Dynamics Simulation. Int. J. Numer. Meth. Engng, 2012. Shabana, A.: Computational Dynamics, John Wiley & Sons, Inc., New York, Third Edition, 2010. Haug, E. J.: Computer-Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems, Volume-I. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1989.