Cosserat rod动力学的端口哈密顿框架下的混合格式与结构保持离散化

提出了一种基于能量的建模框架，用于描述在大位移和大旋转下运动的空间Cosserat杆的非线性动力学。混合格式具有独立的位移、速度和应力变量，并且具有目标性且无锁定。通过采用director格式表示有限旋转，避免奇异，产生恒定的质量矩阵。这导致一个由部分微分代数方程组成的无限维非线性端口哈密顿(PH)系统，其具有二次能量函数。通过应力-应变关系的时间微分型 compliant 形式，允许施加运动约束，如不可拉伸或横向刚性。结构保持的有限元离散化导致一个具有PH结构的有限维系统，从而便于设计能量-动量一致的积分方案。通过广义麦克斯模型实现的耗散材料行为以及通过气动腔或腱索实现的非标准驱动方式自然融入该框架。通过选取的数值示例，本框架在涉及有限旋转的计算力学中建立了一种新的能量-动量一致格式化方法。