Multibody system history of ADAMS

                                                                                                                            Nicolae V. Orlandea

        本篇也是對上述文獻進行翻譯，以期了解下ADAMS的歷史，以史為鏡，可以知興替。

        我是從1963年開始從事運動及動力學的事情，當時在Polytechnic Institute of CLUJ Romania有份職位讓我進行機械機構學（theory of machinery and mechanisms, TMM）的教學工作。

        因為這個緣故，我的一個訪美教授推薦我去美國攻讀研究所學位。經過長時間的等待，終于收到了出境簽證。我是1970年2月25日到的美國。對于TMM我已經很了解，并研究了世界范圍內有關此的進展，但是我沒有編程基礎，且不怎么會說英語。所以我參加了Michigan大學的英語研究機構。

        在TMM領域，對3D的多自由度系統進行運動學動力學求解的研究還比較零散。有兩個杰出的項目：The John Uicker 4X4矩陣公式在集成機構（integrated mechanism program, IMP）電腦程序中實現；Milton. A. Chace用于2D多自由度計算的公式在機構動態響應（dynamic response of articulated machineries, DRAM）程序中實現。一個有組織的多體運動學動力學領域并不存在。

        在1970年來到美國后，那時還在機構學英語，很幸運的在哥倫比亞ASME會議上聯合發表了動力學的文章[1]，那里碰到了教授Milton Chace和教授John Uicker，Chace教授問我以后的打算，我表示了想進行研究所項目研究。他告訴我密歇根是個很好的地方，并承諾幫我留在那里。一個月后，我收到了電氣工程部門Don Calahan教授的電話，邀請我進行面試。很快，作為研究所被錄取了，并有兩個導師，來自機械工程部的Milton Chace教授和來自電氣及科學計算部門的Don Calahan教授。在后續的討論中，Don Calahan教授使我了解到了IBM的分析程序，即advanced statistical analysis program, ASTAP及分析工具[2]。其中一個工具便是稀疏矩陣方法。Calahan教授也告訴我他預感會有機械系統的分析程序，其中不會用到矩陣逆運算或矩陣乘法，因為這些需要太多的計算操作，耗時低效。他告訴我避免與0相乘，因為這個需要的計算資源與兩個非零數相乘一樣。這些讓我認識到數值效率的重要性。因此我選擇了隱式后向差分法，也叫Gear 算法。主要還是考慮到此方法的數值穩定性，并且也能夠解決數值剛性問題，盡管數值剛性的系統很少。在密歇根學習階段，我碰到了Pardip Sheth，他是Uicker教授的學生。我們倆討論了很多都感興趣的話題，我還參加了他教的線性動力學課程。

        在這個階段，John Uicker帶著IMP，我帶著還在編寫的程序參加了SAE組織的應力計算會議，標桿是對雪佛蘭邁銳寶的前懸架進行數值動態模擬，試驗是由雪佛蘭公司完成的，我們倆獨立提交了計算結果，吻合度都很好。

        在1973年，我博士畢業了。我的論文包含了節點方程、稀疏矩陣、后向差分及拉格朗日方程。這些都應用到了我正在編寫的數值計算軟件，我稱它為 automatic dynamic analysis of mechanical systems (ADAMS)。

        在1974年，我正在計算波音747的起落架、一個整車、用于核反應堆內部的被稱為玻璃碳的扭曲石墨晶格，所有這些都是用ADAMS完成，有機械、機構和材料晶格。這些已經超出了機械機構領域，我稱為多體系統動力學，這個定義也被歐洲的同行接受。

        在這之后，我短暫離開美國，在Chace教授的幫助下又經都柏林、愛爾蘭返回美國。那時候，Mechanical Dynamics, Inc (MDI)將ADAMS作為他們的一款產品，我非常高興MDI致力于在全球推廣ADAMS，Chace教授一直也想商業化ADAMS，這也被證明是程序周期中的重要一步。由于用戶的反饋及需求，程序在MDI及我的支持下不斷提升。

        原始的ADAMS免費副本直到1984年才能從位于亞特蘭大的Cosmic獲取，不管是誰要，都需要針對其電腦及操作系統重新編寫某些部分。原始的ADAMS是用密歇根的終端系統和Amdahl編寫的。

        我在找工作，但是很難，因為我的簽證狀況及石油禁運危機。在1974年，我加入密歇根大學醫學院作為設計了診斷腦腫瘤的伽馬射線攝影機橫軸斷層掃描儀的五名科學家之一。我喜歡這個項目因為它的人性化，我用多體系統設計機械并監督其運行，核醫學雜志上面有這篇文章[4]。

        此后不久，位于Ames的愛荷華州立大學（ISU）邀請我去做訪問副教授，考慮到Chace教授幫我返回美國，我請求他照看ADAMS，時不時的，MDI會請我支持ADAMS。

        在ISU的課堂上，我碰到了Roger Wehage，一個研究生，我覺得他很不錯：認真聽，努力工作，并且付諸實踐，我建議他繼續攻讀博士，我很高興他做了。

        1976年，我收到了Deere公司的永久性工作邀請，我在那里工作了21年。Chace教授和Calahan教授在ASME會議上向大家介紹了ADAMS，之后，Edward Haug教授邀請我在愛荷華大學教ADAMS理論。我去了，并且推薦Roger做了ED的學生，教完ADAMS的課后，ED也開始在愛荷華大學進行多體系統計算研究，Roger和ED開發了DADS程序，之后從愛荷華大學出來了很多研究人員，像R. Wehage, A. Shabana, A. Sheffer。

        當我在Deere工作時，空閑之余，我也繼續做ADAMS的開發，“lower index methods of numerical itegration”這個被ADAMS和Roger還有我開發的2D計算程序（我稱之為 mechanical computer-aided dynamic analysis, MCADA）使用，這個程序用來測試不同的數值算法。例如 index是1和2的Newmark及HHT數值積分方法。

        1977年在Deere退休后，我又搬回了Ann Arbor, 在密歇根機械學院做兼職教授，MDI從我這購買了STF Index2的方法，我支持做了調試并在ADAMS中實現直到2007年。在2000年，我做了五次冠狀動脈搭橋手術，在2003年我從大學退休。我一直是IMechE Journal of Multibody Dynamics的副主編，直到2007年Shabana接替。在密歇根教學期間，我對平行運動機構產生了興趣，比如昆蟲，這個結構太贊了。他們被用作飛行員培訓、精確醫療設備、精確機構等。

        在2000年密歇根大學的時候，我組織了“2000 international conference in PKM”，有來自于全世界的科學家，這是次成功的嘗試。

        最后提三點在ADAMS生涯中重要的三個科學事件。第一個是ADAMS的第一個版本；第二個是Gisly Ottarson根據Shabana的工作引入了柔性體，從此打開了耐久性分析的大門；最后一個是STF低指數計算方法，這個保證率計算質量。Gear也證明了Index 2 對于機械系統是足夠的，Index1也行，但是效率不如Index 2，因為引入了加速度約束。

References

[1] Maros, D., and Orlandea, N., 1971, “Contribution to the Determination of the Equations of Motion for Multidegree of Freedom Systems”, ASME J. Eng. Ind., 93(1), pp. 191-195.

[2] IBM, 1971, “ASTP(Advanced Statistical Analysis Program)”, System Products Division, IBM, East Fishkill, NY, pp. 192-195.

[3] Orlandea, N., 1973, “Node Analogous, Sparsity Oriented Methods for Simulation of Mechanical Dynamic System”, Doctoral thesis, The University of Michigan, Ann Arbor, MI.

[4] Keyes, J. W., Jr., Orlandea, N., Helderls, W.J., Leonard, P. F., and Rogers, W. L., 1977, “The Humongotron: A Scintillation Camera Transaxial Tomography”, Nucl. J. Med., 18(4), pp. 381-387.

[5] Gear, C. W., 1988, “Differential-Algebraic Equation Index Transformation”, SIAM J. Sci. Stat. Comp., 9(1), pp. 39-47.