On Solving the Dynamics of Constrained Rigid Multi-Body Systems with Kinematic Loops

要約

このテクニカルレポートは、非線形相補性問題（NCP）の定式化を使用して、ハードコンタクトダイナミクスを備えた制約された剛性マルチボディシステムをシミュレートするための確立された方法と最先端の両方の方法の詳細な評価を提供します。
特に、高度に結合された機械システムのシミュレーションを、多数の閉ループの両側の運動学的関節制約を、ジョイントの制限や摩擦衝撃を伴う摩擦接触などの追加の一方的な制約が存在する場合、閉鎖的な核兵器の結合制約を調べることに興味があります。
したがって、この研究は、関連するフィールドの最新の文献調査と、最大座標設定での数値統合問題の定式化と解決に使用されるアプローチの詳細な説明を提示します。
より具体的には、私たちの焦点は、それを前方のダイナミクスの問題に分解する全体的な問題のバージョンに続いて、前者によって表された体の状態と制約反応を使用した時間統合に続きます。
次に、摩擦コンタクトダイナミクスをモデル化するために使用される製剤について詳しく説明し、現在確立された物理エンジンの大部分で現在採用されているソルバーのセットを定義します。
このワークの重要な側面は、さまざまな挑戦的なシミュレーションシナリオでソルバーのセットのパフォーマンスエンベロープを定性的かつ定量的に評価するための手段として提案するベンチマークフレームワークの定義です。
したがって、私たちは、スイートで定義された完全なセットで、特定の関心のある問題に関するすべてのソルバーの絶対的および相対的なパフォーマンスを強調することを目的とした広範な一連の実験を提示します。

要約(オリジナル)

This technical report provides an in-depth evaluation of both established and state-of-the-art methods for simulating constrained rigid multi-body systems with hard-contact dynamics, using formulations of Nonlinear Complementarity Problems (NCPs). We are particularly interest in examining the simulation of highly coupled mechanical systems with multitudes of closed-loop bilateral kinematic joint constraints in the presence of additional unilateral constraints such as joint limits and frictional contacts with restitutive impacts. This work thus presents an up-to-date literature survey of the relevant fields, as well as an in-depth description of the approaches used for the formulation and solving of the numerical time-integration problem in a maximal coordinate setting. More specifically, our focus lies on a version of the overall problem that decomposes it into the forward dynamics problem followed by a time-integration using the states of the bodies and the constraint reactions rendered by the former. We then proceed to elaborate on the formulations used to model frictional contact dynamics and define a set of solvers that are representative of those currently employed in the majority of the established physics engines. A key aspect of this work is the definition of a benchmarking framework that we propose as a means to both qualitatively and quantitatively evaluate the performance envelopes of the set of solvers on a diverse set of challenging simulation scenarios. We thus present an extensive set of experiments that aim at highlighting the absolute and relative performance of all solvers on particular problems of interest as well as aggravatingly over the complete set defined in the suite.

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