亚历山德罗·塔索拉;塞尔维亚人，Radu;哈马德·马扎尔;阿尔曼·帕佐基;丹尼尔·梅兰兹;乔纳森·弗利什曼;迈克尔·泰勒;杉山弘之;丹·内格鲁特 Chrono：一个开源的多物理动力学引擎。 （英语） Zbl 1382.70001号 Kozubek，Tomáš（编辑）等人，《科学与工程中的高性能计算》，第二届国际会议，HPCSE 2015，捷克共和国索拉，2015年5月25日至28日。修订了选定的论文。查姆：施普林格（ISBN 978-3-319-40360-1/pbk；978-3-316-40361-8/电子书）。计算机科学讲座笔记9611，19-49（2016）。 摘要：我们提供了一个名为Chrono的多物理动力学引擎的概述。它的优点是处理复杂和大型的动力学系统，这些系统包含数百万通过摩擦接触相互作用的刚体。Chrono最近得到了增强，以支持流体-固体相互作用（FSI）问题的建模以及线性和非线性有限元分析（FEA）。我们讨论了Chrono的软件布局/设计，并概述了该动力学引擎基础上的一些建模和数值求解技术。我们简要报告了一些评估软件解决方案预测属性的验证研究。Chrono是根据许可的BSD3许可证作为开放源代码发布的，可以在GitHub上下载。关于整个系列，请参见[Zbl 1337.65004号]. 引用于16文件 MSC公司： 70-04 粒子和系统力学问题的软件、源代码等 74-04 可变形固体力学相关问题的软件、源代码等 76-04 流体力学相关问题的软件、源代码等 70Kxx美元 力学中的非线性动力学 7400万 固体力学中的特殊问题 74层10 流固相互作用（包括气动和水弹性、孔隙度等） 76T25型 颗粒流 2005年5月 并行数值计算 关键词：多物理建模与仿真;刚柔多体动力学;摩擦和接触;流固相互作用;颗粒动力学;车辆动力学;并行计算 软件：织女星;构建机器人;Chrono公司;C制动器;戴莫尔;编程辅助工具;github;罗德斯;CUDA公司;MBDyn公司;日晷;MPICH2型;梅沙赫 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{A.Tasora}等人，Lect。票据计算。科学。9611，19-49（2016；Zbl 1382.70001） 全文： 内政部 参考文献： [1] JSON数据交换格式。技术报告ECMA-404，ECMA International（2013） [2] Acary，V.，Brogliato，B.：非光滑动力系统的数值方法：在力学和电子学中的应用，第35卷。施普林格科学与商业媒体，海德堡（2008）·Zbl 1173.74001号 [3] Adami，S.，Hu，X.，Adams，N.：光滑粒子流体动力学的广义壁边界条件。J.计算。物理学。231, 7057–7075 (2012) ·doi:10.1016/j.jcp.2012.05.005 [4] Andelfinger，U.，Ramm，E.：二维、三维板壳结构的EAS元素及其与HR元素的等价性。国际期刊数字。方法。工程师3611311–1337（1993）·Zbl 0772.73071号 ·doi:10.1002/nme.1620360805 [5] Anitescu，M.，Cremer，J.F.，Potra，F.A.：制定3D接触动力学问题。机械。结构。机器。24(4), 405–437 (1996) ·doi:10.1080/08905459608905271 [6] Anitescu，M.，Tasora，A.：非光滑动力学锥互补问题的迭代方法。计算。最佳方案。申请。47, 207–235 (2010) ·Zbl 1200.90160号 ·doi:10.1007/s10589-008-9223-4 [7] Bardet，J.-P.：实验土壤力学。普伦蒂斯·霍尔（Prentice Hall），恩格尔伍德悬崖（Englewood Cliffs）（1997） [8] Basa，M.，Quinlan，N.，Lastiwka，M.：粘性流SPH公式的稳健性和准确性。国际期刊数字。方法。流体601127–1148（2009）·Zbl 1419.76518号 ·doi:10.1002/fld.1927年 [9] Bathe，K.-J.，Dvorkin，E.N.：基于mindlin/reissner板理论和混合插值的四节点板弯曲单元。国际期刊数字。方法。工程21，367–383（1985）·Zbl 0551.73072号 ·doi:10.1002/nme.1620210213 [10] O.A.Bauchau：DYMORE用户手册。佐治亚理工学院，亚特兰大（2007） [11] Betsch，P.，Stein，E.：一种避免非线性4节点壳单元人为厚度应变的假设应变方法。Commun公司。数字。方法工程11，899–909（1995）·Zbl 0833.73051号 ·doi:10.1002/cnm.1640111104 [12] Buildbot：Buildbot——一个用于自动化软件构建、测试和发布的开源框架。网址：http://buildbot.net/ . 2015年5月31日查阅 [13] Colagrossi，A.，Landrini，M.：光滑粒子流体动力学对界面流动的数值模拟。J.计算。物理学。191, 448–475 (2003) ·Zbl 1028.76039号 ·doi:10.1016/S0021-9991（03）00324-3 [14] Crisfield，M.：非线性、三维光束元素的一致共旋转公式。计算。方法应用。机械。工程81、131–150（1990）·Zbl 0718.73085号 ·doi:10.1016/0045-7825（90）90106-V [15] Crisfield，M.A.，Galvanetto，U.，Jelenic，G.：三维共旋转光束的动力学。计算。机械。20, 507–519 (1997) ·Zbl 0904.73076号 ·doi:10.1007/s004660050271 [16] Dmitrochenko，O.，Matikainen，M.，Mikkola，A.：最简单的3节点和4节点全参数化ANCF板元。摘自：ASME 2012国际设计工程技术会议和工程中的计算机和信息会议，美国机械工程师学会，第317–322页（2012） [17] Dmitrochenko，O.N.，Pogorelov，D.Y.：板有限元在绝对节点坐标公式中的推广。多体系统。动态。10, 17–43 (2003) ·Zbl 1137.74435号 ·doi:10.1023/A:1024553708730 [18] Dowell，E.H.，Traybar，J.J.：旋翼桨叶发生襟翼、滞后和扭转变形时非线性刚度的实验研究，《航空航天和机械科学报告1194》，普林斯顿大学，1975年1月 [19] Dowell，E.H.，Traybar，J.J.：旋翼桨叶发生襟翼、滞后和扭转变形时非线性刚度的实验研究，航空航天和机械科学报告1257，普林斯顿大学，1975年12月 [20] Doxygen:Doxygen-一个来自注释C++代码的文档生成器。网址：http://www.doxygen.org . 2015年5月31日查阅 [21] Dufva，K.，Shabana，A.：使用绝对节点坐标公式分析薄板结构。程序。仪器机械。工程第K部分：J.多体动力学。219, 345–355 (2005) ·doi:10.1243/095440805X33162 [22] Felippa，C.，Haugen，B.：小应变共线性有限元的统一公式：I.理论。计算。方法应用。机械。工程194、2285–2335（2005）。壳体的计算方法·Zbl 1093.74055号 ·doi:10.1016/j.cma.2004.07.035 [23] Filippov，A.F.，Arscott，F.M.：右端不连续微分方程：控制系统，第18卷。斯普林格，海德堡（1988）·doi:10.1007/978-94-015-7793-9 [24] Fleischmann，J.：具有多步切向接触位移历史的DEM-PM接触模型。技术报告TR-2015-06，基于仿真的工程实验室，威斯康星大学麦迪逊分校（2015） [25] Fleischmann，J.A.，Serban，R.，Negrut，D.，Jayakumar，P.：关于软体接触模型中位移历史的重要性。ASME J.计算。非线性动力学。(2015). 数字对象标识代码：10.1115/1.4031197 [26] Gerstmayr，J.，Shabana，A.：使用绝对节点坐标公式分析薄梁和电缆。非线性动力学。45, 109–130 (2006) ·Zbl 1138.74391号 ·doi:10.1007/s11071-006-1856-1 [27] Gerstmayr，J.，Sugiyama，H.，Mikkola，A.：多体系统大变形分析的绝对节点坐标公式综述。ASME J.计算。非线性动力学。8, 031016-1–031016-12 (2013) [28] Gilardi，G.，Sharf，I.：接触动力学建模的文献综述。机械。机器。西奥。37, 1213–1239 (2002) ·Zbl 1062.70553号 ·doi:10.1016/S0094-114X（02）00045-9 [29] Gingold，R.A.，Monaghan，J.J.：平滑粒子流体动力学理论及其在非球形恒星中的应用。周一。不是。R.阿斯顿。Soc.181，375–389（1977年）·Zbl 0421.76032号 ·doi:10.1093/mnras/181.3.375 [30] Glocker，C.，Pfeiffer，F.：平面摩擦多体系统的LCP方法。摘自：CMIS 92接触力学国际研讨会论文集，瑞士洛桑，第13–20页（2006） [31] Hairer，E.，Wanner，G.：求解常微分方程II：刚性和微分代数问题。斯普林格，海德堡（1996）·Zbl 1192.65097号 ·doi:10.1007/978-3-642-05221-7 [32] Hartl，J.，Ooi，J.:直接剪切试验的实验和模拟：孔隙度、接触摩擦和体积摩擦。颗粒物质10263–271（2008）·doi:10.1007/s10035-008-0085-3 [33] Haug，E.J.：《机械系统的计算机辅助运动学和动力学》第I卷，Prentice-Hall，Englewood Cliffs（1989） [34] Heyn，T.：关于摩擦和接触多体动力学问题的建模、仿真和可视化。威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系博士论文（2013年）。http://sbel.wisc.edu/documents/TobyHeynThesis_PhDfinal.pdf [35] Hindmarsh，A.，Brown，P.，Grant，K.，Lee，S.，Serban，R.，Shumaker，D.，Woodward，C.：SUNDIALS：非线性和微分/代数方程求解器套件。ACM事务处理。数学。柔和。（TOMS）31363–396（2005）·Zbl 1136.65329号 ·数字对象标识代码：10.1145/1089014.1089020 [36] Hu，W.，Tian，Q.，Hu，H.：通过绝对节点坐标公式和SPH方法对充液柔性多体系统进行动态仿真。非线性动力学。75, 653–671 (2013) ·doi:10.1007/s11071-013-1093-3 [37] Kaufman，D.M.，Pai，D.K.：约束不等式的几何-数值积分。SIAM J.科学。计算。非光滑哈密顿系统。34，A2670–A2703（2012）·Zbl 1259.65202号 ·数字对象标识代码：10.1137/100800105 [38] 工具包：CMake–一个跨平台的开源构建系统。http://www.cmake.org . 2015年5月31日访问 [39] Kruggel-Emden，H.、Simsek，E.、Rickelt，S.、Wirtz，S.和Scherer，V.：离散元法法向力模型的回顾和扩展。粉末技术。171, 157–173 (2007) ·doi:10.1016/j.powtec.2006.10.004 [40] Kruggel-Emden，H.、Wirtz，S.、Scherer，V.：适用于粘弹性或塑性材料离散元法（DEM）的切向力定律研究。化学。工程科学。63, 1523–1541 (2008) ·doi:10.1016/j.ces.2007.11.025 [41] Lee，E.，Moulinec，C.，Xu，R.，Violeau，D.，Laurence，D.，Stansby，P.：SPH无网格粒子方法的弱可压缩和真正不可压缩算法的比较。J.计算。物理学。227, 8417–8436 (2008) ·Zbl 1256.76054号 ·doi:10.1016/j.jcp.2008.06.005 [42] Lucy，L.B.：裂变假说测试的数值方法。阿童木。J.821013–1024（1977年）·doi:10.1086/112164 [43] Machado，M.、Moreira，P.、Flores，P.和Lankarani，H.M.：多体动力学中的柔顺接触力模型：赫兹接触理论的演变。机械。机器。西奥。53, 99–121 (2012) ·doi:10.1016/j.机械原理2012.02.010 [44] Madsen，J.：基于开源动力学软件chrono中瞬态pacejka模型的单接触点轮胎模型验证。威斯康星大学麦迪逊仿真工程实验室技术报告（2014） [45] Malvern，L.E.：连续介质力学导论。普伦蒂斯·霍尔（Prentice Hall），恩格尔伍德悬崖（Englewood Cliffs）（1969年）·Zbl 0181.53303号 [46] Masarati，P.，Morandini，M.，Quaranta，G.，Mantegazza，P.：开源多体分析软件MBDyn的计算方面和最新改进。摘自：《多体动力学》，第21-24页（2005年） [47] Mazhar，H.、Bollmann，J.、Forti，E.、Praeger，A.、Osswald，T.、Negrut，D.：研究粉末几何形状对选择性激光烧结过程的影响。致：塑料工程师学会（SPE）ANTEC（2014） [48] Mazhar，H.、Heyn，T.、Pazouki，A.、Melanz，D.、Seidl，A.、Bartholomew，A.、Tasora，A.、Negrut，D.：Chrono：刚体、柔体和流体动力学的并行多物理库。机械。科学。4, 49–64 (2013) ·doi:10.5194/ms-4-49-2013年 [49] Mazhar，H.，Heyn，T.，Tasora，A.，Negrut，D.：使用Nesterov方法加速摩擦和接触的多体动力学。ACM事务处理。图表。34, 32 (2015) ·Zbl 1333.68258号 ·doi:10.1145/2735627 [50] Mazhar，H.、Osswald，T.、Negrut，D.：关于使用计算多体动力学来提高3D打印的吞吐量。艾迪特。制造（2016年，接受）·doi:10.1016/j.addma.2016.05.012 [51] Melanz，D.：关于并行柔性多体动力学实现的验证和应用。威斯康星大学麦迪逊分校硕士论文（2012年） [52] Melanz，D.、Tupy，M.、Smith，B.、Turner，K.、Negrut，D.：关于颗粒材料动力学微分变分不等式方法的验证-DETC2010-28804。In:Fukuda，S.，Michopoulos，J.G.（eds.）《第30届工程中的计算机和信息会议论文集》，ASME国际设计工程技术会议（IDETC）和计算机和工程中的信息会议（CIE）（2010） [53] Mikkola，A.：HMMWV的Lugre轮胎模型。技术报告TR-2014-15，基于仿真的工程实验室，威斯康星大学麦迪逊分校（2014） [54] Monaghan，J.J.：关于粒子方法中的穿透问题。J.计算。物理学。82, 1–15 (1989) ·Zbl 0665.76124号 ·doi:10.1016/0021-9991（89）90032-6 [55] Monaghan，J.J.：平滑粒子流体动力学。代表程序。物理学。68, 1703–1759 (2005) ·doi:10.1088/0034-4885/68/8/R01 [56] Morris，J.P.，Fox，P.J.，Zhu，Y.：使用SPH模拟低雷诺数不可压缩流。J.计算。物理学。136, 214–226 (1997) ·Zbl 0889.76066号 ·doi:10.1006/jcph.1997.5776 [57] MPICH2：高性能便携式MPI（2013）。网址：http://www.mpich.org/ [58] Negrut，D.，Heyn，T.，Seidl，A.，Melanz，D.，Gorsich，D.，Lamb，D.：使用异构计算模板在分布式计算环境中实现计算动力学。In:新吉布提国际机场地面车辆系统工程与技术研讨会（2011年） [59] Negrut，D.，Rampalli，R.，Ottarsson，G.，Sajdak，A.：关于Hilber-Hughes-Taylor方法在多体动力学指数3微分代数方程背景下的实现（detc2005-85096）。J.计算。非线性动力学2，73–85（2007）·doi:10.1115/1.2389231 [60] Nemat-Nasser，S.：《塑性：非均匀非弹性材料的有限变形》。剑桥大学出版社，剑桥（2004）·Zbl 1073.74001号 [61] NVIDIA:CUDA编程指南（2015）。http://docs.nvidia.com/cuda/cuda-c-programming-guide/index.html [62] OpenMP：规范标准4.0（2013）。网址：http://openmp.org/wp/ [63] O'Sullivan，C.，Bray，J.D.：为使用中心差分时间积分方案的离散元模拟选择合适的时间步长。工程计算。21, 278–303 (2004) ·Zbl 1062.74665号 ·数字对象标识代码：10.1108/02644400410519794 [64] Pazouki，A.，Negrut，D.：微问题微流体分类的数值研究。计算。数学。申请。（2015年，接受）·Zbl 1357.92043号 ·doi:10.1016/j.camwa.2015.09.031 [65] Pazouki，A.，Negrut，D.：颗粒特性对管流中悬浮物径向分布影响的数值研究。计算。流体108，1-12（2015）·Zbl 1390.76895号 ·doi:10.1016/j.compfluid.2014.11.027 [66] Pazouki，A.、Serban，R.、Negrut，D.：一种用于模拟刚性和柔性部件的流体-固体相互作用问题的高性能计算方法。架构（architecture）。机械。工程61、227–251（2014）·doi:10.2478/meceng-2014-0014 [67] Pazouki，A.，Serban，R.，Negrut，D.：模拟流体中刚性和可变形物体的拉格朗日-拉格朗基框架。收录：Terze，Z.（编辑）《多体动力学》。应用科学中的计算方法，第33-52页。施普林格国际出版公司，海德堡（2014）·doi:10.1007/978-3-319-07260-92 [68] Pazouki，A.，Song，B.，Negrut，D.：光滑粒子流体动力学的边界条件强化方法。技术报告：TR-2015-08（2015）·兹比尔1390.76895 [69] Rankin，C.，Nour-Omid，B.：使用投影仪提高有限元性能。计算。结构。30, 257–267 (1988) ·Zbl 0668.73054号 ·doi:10.1016/0045-7949（88）90231-3 [70] 项目Chrono:Chrono：基于物理的动态系统仿真的开源框架。http://www.projectchrono.org . 2015年2月7日访问 [71] 项目Chrono:Chrono：基于物理的动态系统仿真的开源框架。https://github.com/projectchrono/chron . 2015年8月15日访问 [72] Schwertassek，R.，Wallrapp，O.，Shabana，A.A.：柔性多体模拟和形状函数选择。非线性动力学。20, 361–380 (1999) ·兹比尔0960.70006 ·doi:10.1023/A:1008314826838 [73] Serban，R.，Mazhar，H.，Melanz，D.，Jayakumar，P.，Negrut，D.：大型多体动力学问题中处理摩擦接触的惩罚和互补方法的比较研究。In:第17届美国理论与应用力学全国大会（USNC-TAM）（2014） [74] 沙巴纳，A.A.：《多体系统动力学》，第4版。剑桥大学出版社，剑桥（2013）·Zbl 1291.70002号 ·doi:10.1017/CBO9781107337213 [75] Shotwell，R.：chrono：：engines基本连接与ADAMS结果的比较。技术报告TR-2012-01，基于仿真的工程实验室，威斯康星大学麦迪逊分校（2012）。http://sbel.wisc.edu/documents/TR-2012-01.pdf [76] Silbert，L.E.、Ertaš，D.、Grest，G.S.、Halsey，T.C.、Levine，D.、Plimpton，S.J.：沿斜面向下的颗粒流：Bagnold结垢和流变学。物理学。版本E 64，051302（2001）·doi:10.1103/PhysRevE.64.051302 [77] Simo，J.C.，Rifai，M.：一类混合假设应变方法和不相容模式方法。国际期刊数字。方法。工程291595-1638（1990）·Zbl 0724.73222号 ·doi:10.1002/nme.1620290802 [78] 基于仿真的工程实验室（SBEL）：电影、基于物理的建模与仿真。http://sbel.wisc.edu/动画 . 访问日期：2015年6月9日 [79] 基于仿真的工程实验室（SBEL）：Chrono Vimeo电影。网址：https://vimeo.com/uwsbel . 访问日期：2015年6月9日 [80] Sin，F.S.，Schroeder，D.，Barbić，J.：织女星：非线性FEM变形物体模拟器。计算。图表。论坛32，36-48（2013）。威利在线图书馆·数字对象标识代码：10.1111/j.1467-8659.2012.03230.x [81] Stewart，D.E.：具有摩擦和冲击的刚体动力学。SIAM版本42（1），3–39（2000）·Zbl 0962.70010号 ·doi:10.1137/S0036144599360110 [82] Stewart，D.E.，Trinkle，J.C.：具有非弹性碰撞和库仑摩擦的刚体动力学的隐式时间步长方案。国际期刊数字。方法。工程39、2673–2691（1996）·Zbl 0882.70003号 ·doi:10.1002/（SICI）1097-0207（19960815）39:15<2673:：AID-NME972>3.0.CO；2-I型 [83] Sugiyama，H.，Yamashita，H.，Jayakumar，P.：右上轨道-用于地面车辆模拟的集成轮胎模型。轮胎技术。国际67，52–55（2014） [84] Sugiyama，H.、Yamashita，H.和Jayakumar，P.：用于多体地面车辆仿真的ANCF轮胎模型。摘自：国际轮胎座谈会会议记录：用于车辆动力学分析的轮胎模型，2015年6月25日至28日 [85] Swegle，J.、Hicks，D.、Attaway，S.：平滑粒子流体动力学稳定性分析。J.计算。物理学。116, 123–134 (1995) ·Zbl 0818.76071号 ·doi:10.1006/jcph.1995.1010 [86] Tasora，A.，Anitescu，M.：基于互补性的刚性接触滚动摩擦模型。梅卡尼卡481643–1659（2013）·Zbl 1293.70052号 ·doi:10.1007/s11012-013-9694-y [87] Tasora，A.、Anitescu，M.、Negrini，S.、Negrat，D.：基于微分变分不等式的柔顺粘塑性颗粒接触模型。国际期刊非线性力学。53, 2–12 (2013) ·doi:10.1016/j.ijnonlinmec.2013.01.010 [88] Taylor，M.，Serban，R.：chrono中基本建模元素的验证。技术报告TR-2015-05，基于仿真的工程实验室，威斯康星大学麦迪逊分校（2015）。http://sbel.wisc.edu/documents/TR-2015-05.pdf [89] Trinkle，J.，Pang，J.-S.，Sudarsky，S.，Lo，G.：关于库仑摩擦的动态多刚体接触问题。Zeitschrift fur angewandte Mathematik und Mechanik《数学与机械》77、267–279（1997）·Zbl 0908.70008号 ·doi:10.1002/zamm.1997年7月70411日 [90] Uehara，J.S.，Ambroso，M.A.，Ojha，R.P.，Durian，D.J.：勘误表：松散颗粒介质中的低速冲击坑【物理评论.lett.prltao0031-9007 90，194301（2003）】。物理学。修订稿。91, 149902 (2003) ·doi:10.1103/PhysRevLett.91.149902 [91] Yamashita，H.、Matsutani，Y.、Sugiyama，H.：瞬态制动分析的纵向轮胎动力学模型：ANCF-LuGre轮胎模型。J.计算。非线性动力学。10, 031003 (2015) ·数字对象标识代码：10.1115/1.4028335 [92] Yamashita，H.，Valkeapää，A.I.，Jayakumar，P.，Sugiyama，H.：基于连续力学的双线性剪切变形壳单元，使用绝对节点坐标公式。J.计算。非线性动力学。10, 051012 (2015) ·数字对象标识代码：10.1115/1.4028657 [93] Zhang，H.P.，Makse，H.A.：乳剂和颗粒材料中的干扰转变。物理学。版本E 72，011301（2005）·doi:10.1103/PhysRevE.72.011301 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。