For Multibody Dynamics Simulation
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- MUSE是一个轻量化的多刚体动力学求解器。
- 采用纯C++语言编写，易于在Unix、Linux、Windows等各类操作系统上编译运行。
- 采用了面向对象的编程方式，将刚体、各类约束、多刚体系统等物理概念以类的形式进行了封装。用户使用时不必了解多刚体动力学方程的具体表达式，而只需根据实际的机械系统创建相应刚体对象与约束对象，设置各对象初始状态，并指定对象间的连接关系，MUSE将自动生成多刚体动力学方程并完成方程的数值求解，给出指定时间区间内的多体系统的运动轨迹。
- 提供了球铰、铰链、滑轨、滑轨铰、平面副、万向节、固支、大地固连等约束类，基本满足了目前各类机械约束形式的需要，用户也可根据实际需求添加自己的约束类。
- 提供了专门的脚本语言用于构建多刚体系统，脚本支持变量定义，逻辑判断，语句跳转等功能，用于构建复杂的仿真模型。此外用户也可通过直接修改main()函数构建多刚体系统与仿真模型。
- 机器人、机械臂、变体飞行器等多刚体机械系统模拟
- 与CFD++等非定常CFD求解器耦合计算
- 变体飞行器控制系统蒙特卡洛打靶仿真
MUSE 包含以下文件与文件夹:
.
│ LICENSE GNU General Public License (GPL)
│ MUSE.sln visual studio 工程文件
│ README.md 本文件
├─example 计算示例
│ ├─script
│ └─main
└─src 源文件
│ *.cpp
│ *.h
│ Makefile makefile
├─Eigen Eigen数学库
├─MAKE makefile组件
│ Makefile.mpi
│ Makefile.serial
└─STUBS 串行编译用dummy MPI库
Makefile
mpi.c
mpi.h
- 使用Visual Studio打开MUSE.sln，执行编译
- 使用Cygwin64：
cd src
make serial
- 串行版：
cd src
make serial
- 并行版(尚不完善)：
cd src
make mpi
- MUSE.exe < in.script
- MUSE.exe -i in.script
- 运行MUSE.exe，在cmd窗口中输入脚本指令运行
- 替换src/文件夹中main.cpp，编译后运行
使用MUSE开展多体动力学仿真主要分为四个主要步骤：
- 分别创建多体系统内的所有刚体，指定每个刚体的质量、转动惯量、速度、角速度、质心坐标与姿态；
- 创建连接刚体的约束，指定约束类型与连接位置；
- 将创建好刚体与约束组成一个多体系统，MUSE会将它们联立成一个多体动力学微分方程；
- 指定时间步长与求解步数，开展多体动力学求解。
创建一个刚体对象，并指定其质量、转动惯量、质心速度、角速度、质心坐标与姿态。其中刚体姿态用四元数的方式表示，程序中姿态四元数的第四个数为实数项。
质心坐标，质心速度是在系统惯性系下的坐标，角速度是在刚体随体坐标系下的坐标。
MUSE中刚体类在nody.h中定义，类的名称为Body，Body类中主要属性变量为
char *name; //刚体名
Eigen::Vector3d pos; //惯性系下质心位置，默认值为0，0，0
Eigen::Vector3d vel; //惯性系下质心速度，默认值为0，0，0
Eigen::Vector4d quat; //质心姿态四元数，默认值为0，0，0，1
Eigen::Vector3d omega; //体坐标系下角速度，默认值为0，0，0
double mass; //刚体质量，默认值为1。
Eigen::Matrix3d inertia; //刚体转动惯量，默认值为单位矩阵。- 通过脚本命令创建刚体
创建刚体脚本命令主要形式为
create body 刚体名 属性1 属性值1 属性2 属性值2
示例
create body b1 pos 0 0 0 quat 0 0 0 1 #创建一个刚体，命名b1, 质心位置0 0 0，姿态四元数0 0 0 1
主要属性及初始值为
| 属性 | 初始属性值 | 备注 |
|---|---|---|
| pos | 0 0 0 | 惯性系 |
| quat | 0 0 0 1 | 最后一位数为四元数实部 |
| vel | 0 0 0 | 惯性系 |
| omega | 0 0 0 | 体坐标系 |
| mass | 1 | |
| inertia | 1 1 1 0 0 0 | 分别为Ixx，Iyy，Izz，Ixy，Ixz，Iyz |
命令中不需要指定所有属性的值，未指定的属性将取默认值。
- 程序文件中创建刚体
//下面代码为创建一个刚体，命名为"body1"
//定义字刚体名符串
char name[] = "body1";
//创建名为"body1"的刚体对象
muse->add_Body(name1);
//创建名为"body1"的刚体对象，刚体新创建的刚体会储存在muse->body数组中，按创建顺序排列。
muse->add_Body(name1);
muse->body[0]->mass = 1; //设置刚体质量
muse->body[0]->pos << 0,0,0; //设置刚体质心坐标（惯性系）
muse->body[0]->vel << 0,0,0; //设置刚体速度（惯性系）
muse->body[0]->quat << 0, 0, 0, 1; //设置刚体姿态
muse->body[0]->set_Omega(0,0,1) //设置刚体角速度（体坐标系）
muse->body[0]->set_Inertia(1,2,3,0,0,0) //设置刚体转动惯量Ixx，Iyy，Izz，Ixy，Ixz，Iyz（体坐标系）文档待完善
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若有疑问或建议请联系[email protected]。
软件尚未完成，目前为开发版本，后续会陆续完善功能，撰写说明文档，请持续关注。