Все выпуски

Рассматриваются постановка и тестовые решения задачи динамического взаимодействия твердых тел произвольной формы в рамках дискретно-элементного моделирования. При дискретизации используется описание тел произвольной формы, составленных из элементов-сфер, жестко связанных между собой. Агломераты строились на нескольких сетках с разной размерностью, что позволило оценить влияние параметров при построении агломератов сфер и гладкости получаемой поверхности. Представлена система уравнений движения агломерата сфер относительно глобальной системы координат, интегрирование которой выполняется на модифицированной схеме Верле. Силы взаимодействия между сферами определяются на основе контактной модели Герца-Миндлина с учетом вязкого демпфирования. Тестирование метода проводилось на задаче взаимодействия двух сфер. Вычислялись траектории движения сфер, представленные агломератом сферических частиц. Полученные результаты сравнивались со случаем движения и взаимодействия сфер в одночастичном приближении.

The paper deals with the statement of a problem of dynamic interaction of arbitrary solid bodies and its test solutions in the context of discrete element modeling. For discretization we use description of bodies with arbitrary shapes, composed of rigidly bound spheres. The clumps were built with different characteristics, which allowed to estimate their influence on the process of clump construction and the smoothness of obtained surface. A system of equations of motion relative to global axes for a clump of spheres is presented. The forces of interaction between the spheres are determined based on the Hertz-Mindlin contact model with due account for viscous damping. A problem of interaction of two spheres was chosen as a test case. Spheres' trajectories composed of clumps of spheres were calculated. The results were compared with the results for the case of motion and interaction of spheres in one-particle approximation.

В данной работе исследуется качение сферического волчка с осесимметричным распределением масс по гладкой горизонтальной плоскости, совершающей периодические вертикальные колебания. Для рассматриваемой системы получены уравнения движения и законы сохранения. Показано, что система допускает два положения равновесия, соответствующих равномерным вращениям волчка относительно вертикально расположенной оси симметрии. Положение равновесия устойчиво, когда центр масс расположен ниже геометрического центра и неустойчиво, если центр масс расположен выше него. Проведена редукция уравнений движения к системе с полутора степенями свободы. Рассматриваемая редуцированная система представлена в виде малого возмущения задачи о движении волчка Лагранжа. При помощи метода Мельникова показано, что устойчивая и неустойчивая ветви сепаратрисы трансверсально пересекаются между собой, что говорит о неинтегрируемости рассматриваемой задачи. Приведены результаты компьютерного моделирования динамики волчка вблизи неустойчивого положения равновесия.

This paper investigates the rolling motion of a spherical top with an axisymmetric mass distribution on a smooth horizontal plane performing periodic vertical oscillations. For the system under consideration, equations of motion and conservation laws are obtained. It is shown that the system admits two equilibrium points corresponding to uniform rotations of the top about the vertical symmetry axis. The equilibrium point is stable when the center of mass is located below the geometric center, and is unstable when the center of mass is located above it. The equations of motion are reduced to a system with one and a half degrees of freedom. The reduced system is represented as a small perturbation of the problem of the Lagrange top motion. Using Melnikov’s method, it is shown that the stable and unstable branches of the separatrix intersect transversally with each other. This suggests that the problem is nonintegrable. Results of computer simulation of the top dynamics near the unstable equilibrium point are presented.

В работе рассматривается безвинтовой робот, перемещающийся по поверхности жидкости за счет вращения внутреннего ротора. Корпус робота в сечении имеет форму симметричного крылового профиля NACA 0040. Записаны уравнения движения в виде классических уравнений Кирхгофа, дополненных слагаемыми, описывающими вязкое сопротивление. На основе анализа полученной модели предложен закон управления. Проведены исследования влияния различных параметров модели на траекторию движения робота.

We consider a propellerless robot that moves on the surface of a fluid by rotating of the internal rotor. The robot shell has a symmetric shape of NACA 0040 airfoil. The equations of motion are written in the form of classical Kirchhoff equations with terms describing the viscous friction. The control action based on the derived model is proposed. The influences of various model parameters on the robot's trajectory have been studied.

В работе рассматривается вывод законов кинематического управления движением трехколесного и четырехколесного экипажей с жесткими колесами вдоль произвольной гладкой траектории. Параметрами управления для трехколесного экипажа выбраны независимые углы вращения ведущих колес. Параметром управления четырехколесного экипажа выбран угол поворота переднего колеса в двухколесной модели автомобиля, определяемый углами поворота передних колес по принципу рулевого управления Аккермана. Установлено, что произведение скорости любой точки корпуса автомобиля на ориентированную кривизну ее траектории является кинематическим инвариантом, определяющим угловую скорость автомобиля. Приведены результаты численного моделирования и анимации движения трехколесного и четырехколесного экипажей, демонстрирующие адекватность предлагаемой модели кинематического управления. Обсуждаются возможности применения установленных законов кинематического управления движением при уточнении алгоритмов параллельной парковки, при решении навигационных задач управления механическими транспортными средствами при помощи навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, при решении задач управления мобильными роботами с помощью датчиков слежения, а также при проектировании автодорог, транспортных развязок, паркингов, автозаправок, дорожных пунктов питания и при создании тренажеров.

The derivation of laws of kinematic control of motion of three-wheeled and four-wheeled carriages with hard wheels along an arbitrary smooth trajectory is considered in this paper. The independent angles of rotation of driving wheels are chosen as parameters of control for a three-wheeled carriage. The angle of rotation of a front wheel in the two-wheeled car models defined by the angles of rotation of front wheels on the basis of Ackermann steering is chosen as a control parameter for a four-wheeled carriage. It is established that the product of the velocity of any point of the vehicle body and the oriented curvature of its trajectory is a kinematic invariant determining the angular velocity of a vehicle. The paper presents the results of numerical modeling and animation of three-wheeled and four-wheeled carriages motion demonstrating the adequacy of the proposed model of kinematic control. The use of the proposed model can be a significant refinement of algorithms of parallel parking as well as the solution of navigation problems of management of motor vehicles using GPS and GLONASS navigation systems and problems of control of mobile robots with the help of tracking sensors. Also the proposed model can be useful for designing the motor roads, road interchanges, single-level and multilevel Parking lots, gasoline stations, on-the-go fast food stations and for the creation of car-simulators.

Рассматриваются методы моделирования взаимодействия потока несжимаемой жидкости и преграды в рамках эйлерова (метод объема жидкости в ячейке, Volume of Fluid - VOF) и лагранжева (метод гидродинамики сглаженных частиц, Smoothed Particle Hydrodynamics - SPH) описаний. На примере решения задач о движении потока жидкости, вызванного распадом начального уровня жидкости (задача о разрушении плотины), оцениваются преимущества и недостатки применения метода SPH для моделирования гидродинамических нагрузок на преграду, развитой свободной поверхности и каплеобразования. Определяется влияние способа конкретной численной реализации граничных условий Дирихле на твердых стенках на величину давления и характер ее изменения во времени. Численные результаты, полученные с использованием методов VOF и SPH, сопоставляются с известными экспериментальными данными.

The paper considers the methods of modeling of the incompressible fluid flow interaction with barriers in Euler formulation (volume of fluid - VOF) and Lagrangian (smoothed particle hydrodynamics - SPH) description. By the example of solving the problems of motion of the fluid flow caused by the collapse of the initial liquid level (dam break problem), the authors estimate advantages and disadvantages of using the SPH method for the simulation of hydrodynamic loads, free-form surface and formation of drops. The influence of the specific numerical implementation of the Dirichlet boundary conditions on solid walls on both the pressure magnitude and its time behavior is determined. Numerical results obtained by the methods of VOF and SPH are compared with known experimental data.

Рассмотрена задача оптимального управления движением космического аппарата при коррекции его положения в инерциальной системе координат за счет управляющих моментов, получаемых от ускорений инерционных маховиков бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Полученное оптимальное управление обеспечивает плавное изменение ориентации космического аппарата, которое рассматривается как движение по кратчайшей траектории в конфигурационном пространстве специальной ортогональной группы $SO(3)$. Алгоритм управления реализуется с использованием оригинальной процедуры нелинейной сферической интерполяции кватернионов. Основными исполнительными органами ориентации динамического контура управления бесплатформенной инерциальной навигационной системой при решении задачи оптимального управления были выбраны четыре инерционных маховика (три - по осям космического аппарата, четвертый - по биссектрисе). Результаты моделирования верифицируются путем создания анимации корректирующего движения космического аппарата.

We consider the optimal control problem for spacecraft motion during correction of its position in an inertial coordinate system by means of control torques. Control torques arise from the acceleration of inertial flywheels of a strapdown inertial navigation system. We investigate optimal control, which ensures a smooth change in the spacecraft orientation. This smooth corrective motion is described as the motion along the shortest path in the configuration space of a special orthogonal group $SO(3)$. The shortest path coincides with the large circle arc of the unit hypersphere $S^3$. We also consider a control algorithm using the original procedure of nonlinear spherical interpolation of quaternions. Four inertial flywheels are used as the main executive bodies for orientation of the dynamic control loop of the strapdown inertial navigation system when solving the optimal control problem. Three flywheels are oriented along the axes of the spacecraft. The fourth flywheel is oriented along the bisector. The simulation results are presented. We consider examples for corrective motion in which the spacecraft has zero velocity and acceleration at the beginning and end of the maneuver. We give an animation of the corrective movement of the spacecraft. The proposed formalism can be extended to control the spacecraft motion at an initial angular velocity different from zero, as well as in the orbital coordinate system.

В данной работе рассматриваются системы материальных точек в евклидовом пространстве, взаимодействующих как друг с другом, так и с внешним полем. Для случая произвольного парного взаимодействия между телами, зависящего только от их взаимного расстояния, указаны новые интегралы, образующие вектор галилеева момента. Приведена соответствующая алгебра интегралов, которую образуют интегралы импульса, момента импульса игалилеева момента.

Рассмотрены  системы частиц, взаимодействие между которыми описывается однородным потенциалом степени однородности α=-2. Для этих систем приведена наиболее общая форма дополнительного первого интеграла движения, называемого нами интегралом Якоби. Указана новая нелинейная алгебра интегралов, включающая интеграл Якоби. Систематически описана новая процедура редукции и возможность ее применения в динамике для понижения
порядка гамильтоновых систем.

В статье также приводится ряд новых интегрируемых и суперинтегрируемых систем, являющихся обобщением классических. Приведен ряд обобщений тождества Лагранжа для систем с однородным потенциалом степени однородности α=-2, а также с помощью компьютерных экспериментов доказана неинтегрируемость задачи Якоби на плоскости.

Systems of material points interacting both with one another and with an external field are considered in Euclidean space. For the case of arbitrary binary interaction depending solely on the mutual distance between the bodies, new integrals are found, which form a Galilean momentum vector. A corresponding algebra of
integrals constituted by the integrals of momentum, angular momentum, and Galilean momentum is presented. Particle systems with a particle-interaction potential homogeneous of degree α=-2 are considered. The most general form of the additional integral of motion, which we term the Jacobi integral, is presented for such systems. A new nonlinear algebra of integrals including the Jacobi integral is found. A systematic description is given to a new reduction procedure and possibilities of applying it to dynamics with the aim of lowering the order of Hamiltonian systems.

Some new integrable and superintegrable systems generalizing the classical ones are also described. Certain generalizations of the Lagrangian identity for systems with a particle-interaction potential homogeneous of degree α=-2 are presented. In addition, computational experiments are used to prove the nonintegrability of the Jacobi problem on a plane.

В работе представлена модель движения людских потоков, которая ориентирована на применение в системе управления эвакуацией людей из здания в условиях пожара - RINTD-Evac. Модель поддерживает расчет скоростей и направлений движения людских потоков в каждой точке в зависимости от обстановки в здании. В модели используется экспериментально установленная зависимость скорости перемещения людей от их количества в ближайшем окружении. Направление движения в каждой точке здания определяется из условия минимальности достижения людьми безопасной зоны. Представлено краткое описание программной реализации модели. Приводится сопоставление результатов моделирования эвакуации людей из здания, полученных на основе модели RINTD-Evac и общеизвестных моделей FDS+Evac и Pathfinder.

The paper presents a model of foot traffic which is designed for using in a system of evacuation out of a building in case of fire - RINTD-Evac. The model supports the calculation of velocities and direction of people flows at each point depending on a situation in the building. The model uses experimentally established dependence of the rate of people movement from the number of people in near surroundings. The direction of motion at each point of the building is determined by the condition of minimality of achieving a safe zone. A brief description of software implementation of the model is given. A comparison of simulation results describing evacuation of people from a building, based on the model RINTD-Evac and well-known models FDS + Evac and Pathfinder is performed.