A Soft Contact Collision Method For Real-Time Simulation of Triangularized Geometries in Multibody Dynamics

Abstract

When modeling machines in their natural working environment collisions become a very important feature in terms of simulation accuracy. By expanding the simulation to include the operation environment, the need for a general collision model that is able to handle a wide variety of cases has become central in the development of simulation environments. With the addition of the operating environment the challenges for the collision modeling method also change. More simultaneous contacts with more objects occur in more complicated situations. This means that the real-time requirement becomes more difficult to meet. Common problems in current collision modeling methods include for example dependency on the geometry shape or mesh density, calculation need increasing exponentially in respect to the number of contacts, the lack of a proper friction model and failures due to certain configurations like closed kinematic loops. All these problems mean that the current modeling methods will fail in certain situations. A method that would not fail in any situation is not very realistic but improvements can be made over the current methods.

Mallinnettaessa koneita niiden aidossa toimintaympäristössä, kontaktit muodostuvat keskeiseksi tekijäksi simuloinnin tarkkuuden kannalta. Kun mallia laajennetaan sisältämään toimintaympäristö kasvaa yleisen kontaktimallin merkitys simulaattoriympäristöjen kehityksessä. Ympäristön lisäyksen myötä myös mallinnuksen haasteet muuttuvat, useampia kontakteja useampien kappaleiden välillä monimutkaisemmissa tilanteissa. Tämän vuoksi reaaliaikaisuus muodostuu yhä suuremmaksi ongelmaksi. Yleisiä ongelmia nykyisissä kontaktin mallinnusmenetelmissä ovat, riippuvuus mallinnettavasta geometriasta ja verkotuksen tiheydestä, laskentatarpeen kasvu eksponentiaalisesti suhteessa kontaktien määrään, kunnollisen kitkamallin puuttuminen sekä ongelmatilanteet erilaisissa konfiguraatioissa kuten kinemaattisten ketjujen tapauksessa. Jotkut mallit myös luottavat primitiivigeometrioiden käyttöön kontaktia mallinnettaessa, joka tekee niistä epätarkempia ja hankalampia määrittää. Tämän vuoksi on tärkeää, että kontaktimalli perustuu kolmioituun geometriaan. Kaikki nämä ongelmat tarkoittavat, että nykyiset mallinnusmenetelmät epäonnistuvat jossain tapauksissa. Menetelmän kehittäminen joka ei epäonnistuisi missään tapauksessa ei ole kovin realistinen, mutta nykyisiä malleja voidaan parantaa merkittävästi.