第二章多自由度机械系统的动力学建模.ppt

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第二章 多自由度机械系统的动力学建模方法 ;当广义坐标不止一个时,记广义坐标为 ,不失一般性,把系统外力F和力矩 统一记为 ,把质量m和转动惯量J统一记为 ,对应的位移和转角统一记为 ,速度为 2.1 多自由度系统建模方法之一 (基于动能定理和广义可能位移原理) ;2.1.1 基于动能定理: 引入广义坐标 得: 记为 将此式进一步展开: ; 注意到广义坐标为 是独立无关的,得系统运动方程: 表为矩阵形式: 或: ;式中 ——???义力 ——二阶广义惯量 ——三阶广义惯量 2.1.2基于广义可能位移原理的动力学普遍方程: ;虚位移;理想约束 ;2 虚位移原理 ;虚位移原理; ∑Fi · ? ri = 0 ;(一)虚功原理与达朗贝尔原理 虚功原理是关于力学系统平衡的一个普通原理,解题方法一般归纳为: 1、判别约束是否为理想约束; 2、找出主动力及作用点; 3、确定自由度,并选择广义坐标; 4、由广义坐标和变换式把虚位移用广义坐标的变分来表示; 5、由虚功原理写出平衡方程,由于广义坐标的变分相互独立,所以可以较方便的求解。 达朗贝尔原理是力学体系动力学的一个普通方 程,它考虑的是运动而不是静力学问题。 ;由“运动”学 ( 主动力; 约束反力) 变为平衡类型 这样把动力学的问题转变为静力学问题处 理,这就是著名的“动静法”。由于变为平衡方程,所以完全可按虚功原理方法解决有关问题。虚功原理与达朗贝尔原理一起成为分析力学的最普遍原理的理论基础。 ; 由 得: 故运动方程: 式中各项与前面的推导完全一致。 2.2 复杂机构系统的动力学建模方法之二(拉格朗日方程法) ;(二)拉格朗日方程 作为力学系统的运动规律,利用广义坐标从动力学普遍方程推导出来的拉格朗日方程,对整个力学体系的运动提供了一个统一而普遍的解法。拉氏方程是完整理想的力学体系的最普遍的动力学方程,它给解决动力学问题提供了一个高度统一而又概括的方法。这种表述及其方法,不仅在力学范畴有重要意义和实用价值,而且为研究近代物理提供了必须的物理思想和数学技巧。 ; 拉格朗日方程用高度统一规律描述了力学系统动力学的运动规律,反映在: ①拉氏方程的形式不随广义坐标的选择而发生变化; ②对惯性系统和非惯性系,拉氏方程的形式都一样; ③拉氏方程中的广义坐标、广义速度、广义动量、广义动能都比牛顿力学中的坐标、速度、力、动量、动能具有更普遍的意义。拉氏方程概括了质点、质点组、刚体各种运动的动力学规律。 ; ④拉氏方程是从能的角度去研究问题。当系统的主动力为保守力系时,拉氏函数成为力学体系的特征函数; ⑤拉氏方程的个数与力学体系的约束条件有关。约束越多,方程数就越少,所以与牛顿力学比较,对多约束的力学体系,拉氏方程就愈能显示出它的优越性。但是拉氏方程的物理图象不如牛顿力学直观,这是它的不足之处。在应用拉格朗日方程解题时一般方法是: ;首先正确判断力学体系的自由度,并选择适当的广义坐标;。 判断是否是保守力场,从而决定选用方程类别;是保守力场时采用: 不是保守力场,或力场性质不明及不易判断情况下要采用一般形式的拉格朗日方程: ;求出的速度一定要采用绝对速度。这是动能表达式中所需要的。 按广义坐标建立 个方程后,马上检查是否存在循环坐标(拉氏函数中不显含某一广义坐标 ,此为循环坐标),马上就可以写出它的第一积分 ; 若采用一般形式的拉格朗日方程,就要求广义力。广义力的求法是: 按定义求: ; 其中 是作用在力学体系的第 个质点上的主动力, 是第 个质点的位矢。在完整系中,广义力 与广义坐标相对应,它们的个数都等于自由度数。广义力还可以写成: 将坐标变换式代入上式,计算后求得。 按虚功求: 虚功原理用广义力与广义位移表示为: 故 ; 仅给广义坐标中之一 的变化,其余 个独立坐标不变,这样可求得所有主动力在相应 上所做元功之和。 令 则 同理,可求出 ,或在约束条件许可下, 彼此独立。当 都不为零时, 前的系数即为各广义力。

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