北航理论力学

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§5-1 动力学普遍方程
拉格朗日形式的达朗贝尔原理
∑ (F + F ) ⋅ δr = 0
i =1 i Ii i
n
受有理想约束的质点系,在运动过程中, 受有理想约束的质点系,在运动过程中,其上所受的主动力 和惯性力在质点系的任何虚位移上所作的虚功之和为零。 和惯性力在质点系的任何虚位移上所作的虚功之和为零。
i =1 i =1
n
n
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BUAA
动力学普遍方程
§5-1 动力学普遍方程
用动力学普遍定理求解问题的基本步骤
∑ ( F + F ) ⋅ δr = 0
i =1 i Ii i
n
• 运动分析
– 系统的自由度分析、加速度和角加速度分析与计算 系统的自由度分析、
• 受力分析
– 主动力分析、惯性力分析(刚体惯性力系的简化)与 主动力分析、惯性力分析(刚体惯性力系的简化) 计算
α
FI
a
F
应用动力学普遍方程
MIC
FI
1 = mR 2α 2
∑ ( F + F ) ⋅ δr = 0
i =1 i Ii i
n
解:运动分析 系统自由度 系统自由度k=1
FI = ma M IC
a = αR
由动力学普遍方程得: 由动力学普遍方程得:
δx = Rδϕ
δϕ
δx
δϕ
Fδx − 3FIδx − 2M ICδϕ = 0 Fδx − 3maδx − maδx = 0
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• 问题(现象)的提出 问题(现象)
学习上应注意的问题
– 问题是怎样产生的;原有的方法为什么不能(不易) 问题是怎样产生的;原有的方法为什么不能(不易) 解决该问题;解决该问题的途径是什么。 解决该问题;解决该问题的途径是什么。
• 理论(方法)的形成 理论(方法)
– 力学模型如何简化;新理论或方法的基础是什么,适 力学模型如何简化;新理论或方法的基础是什么, 用条件是什么;该理论和方法能解决哪类问题。 用条件是什么;该理论和方法能解决哪类问题。
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工程中的动力学问题
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汽车驾驶模拟器
工程中的动力学问题
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10
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工程中的动力学问题
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机器人骑自行车
工程中的动力学问题
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工程中的动力学问题
摩托车行驶失稳的现象
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•动力学普遍方程 动力学普遍方程 •第二类 第二类Lagrange方程 第二类 方程 •第二类 第二类Lagrange方程的首次积分 方程的首次积分 第二类 •第一类 第一类Lagrange方程 第一类 方程 • Hamilton方程(简介) 方程( 方程 简介)
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第五章 Lagrange方程 方程
δW = ∑ ( Fi + FNi + FIi ) ⋅ δri = 0
i =1
n
∑F
i =1
பைடு நூலகம்
n
∑ (F + F
i =1 i n
n
Ii
) ⋅ δri + ∑ FNi ⋅ δri = 0
i =1
n
Ni
⋅ δ ri = 0
动力学普遍方程
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∑ (F + F
i =1 i
Ii
) ⋅ δri = 0
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§5-1 动力学普遍方程
轴以匀角速ω 例:已知 OA=L绕O轴以匀角速ω转动,AB=2L。求系统在图 绕 轴以匀角速 转动, 。 示位置时,力偶矩 的大小和方向(不计摩擦) 示位置时,力偶矩M 的大小和方向(不计摩擦)
A
θ = 90 0 , ϕ = 30 0
M
C2
1
ωC
m1g θ O
m2 g
独立悬架
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共轴式悬架
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工程中的动力学问题
研制方法: 研制方法:计算机的引入
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工程中的动力学问题
实验研究方法:计算机动力学仿真 实验研究方法:
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工程中的动力学问题
车辆碰撞的计算机模拟实验
模拟实验和物理实验对比
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工程中的动力学问题
拖车的倒车控制研究
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二、飞行器的动力学问题
工程中的动力学问题
GPS(需要多颗卫星共同完成) (需要多颗卫星共同完成)
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航天器对接
工程中的动力学问题
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工程中的动力学问题
飞机起落架的动力学仿真
αB
A
应用动力学普遍方程 B
aA
αC
∑ (F + F
i =1 i
n
Ii
) ⋅ δri = 0
θ
FIA
A
MIB
aC
B FIC MIC mg C
C
解:运动分析 自由度 自由度k=2 aA aC = a A + α C R αB = R 受力分析 FIA = ma A
M IB = J Bα B
mg
M IC = J Cα C FIC = maC = ma A + mRα C
• 虚功计算
– 虚位移分析、主动力和惯性力元功的计算 虚位移分析、
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α
MIC FI
受力分析 虚位移分析
§5-1 动力学普遍方程
例:图示系统在铅垂平面内运动,各物体的质量均为m,圆盘的半径为 , 图示系统在铅垂平面内运动,各物体的质量均为 ,圆盘的半径为R, 圆盘在地面上纯滚动,若板上作用有一个主动力 。求板的加速度。 圆盘在地面上纯滚动,若板上作用有一个主动力F。求板的加速度。
车身和车轮的运动 不仅仅是平面运动
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• 车身作什么运动? 车身作什么运动? • 车轮作什么运动? 车轮作什么运动?
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工程中的动力学问题
越野赛车
汽车的减振测试与疲劳测试
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1893年生产的轿车 年生产的轿车
工程中的动力学问题
1904年生产的轿车 年生产的轿车
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作业: 作业:5-1、5-2、5-3
本学期讲授的主要内容
•第五章 Lagrange方程 第五章 方程 •第六章 刚体的定点运动与一般运动 第六章 •第七章 机械振动基础 第七章 上述研究内容与方法更接近工程实际
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一、车辆中的力学问题
工程中的动力学问题
设:车轮、车身作平面运动 车轮、
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mg
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FIA
A
§5-1 动力学普遍方程
B FIC MIC mg C
MIB
x
δϕ
A
δx
B
mg
δθ
系统的虚位移 C
θ
mg
动力学普遍方程: 动力学普遍方程:
R − FIAδx − M IBδϕ − FICδrC − M IC δθ + mgδrC = 0
δϕ =
δx
δrC = δx + Rδθ
Fi = Fix i + Fiy j + Fiz k FIi = − m&&i i − m&&i j − m&&i k x y z
动力学普遍方程 的直角坐标形式
δ ri = δxi i + δyi j + δzi k
∑ (F
i =1
n
ix
− mi &&i )δxi + ∑ ( Fiy − mi &&i )δyi + ∑ ( Fiz − mi &&i )δzi = 0 x y z
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• 结构特点
上述动力学问题的特点
– 研究对象由多个物体组成(刚体、柔性体), 研究对象由多个物体组成(刚体、柔性体), 结构复杂
• 运动的特点
– 刚体的运动不仅仅是定轴转动和平面运动
• 实验手段的特点
– 不仅有物理实验还有计算机仿真实验
• 研究方法的特点
– 多学科交叉(数学、物理、力学、计算机) 多学科交叉(数学、物理、力学、计算机)
• 理论(方法)的应用 理论(方法)
– 该方法的特点(利与弊)是什么;哪类问题能用该方 该方法的特点(利与弊)是什么; 法解决。 法解决。
• 已学知识的综合应用
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本学期要用到的基础知识
• 点的速度、加速度合成定理 点的速度、 • 刚体平面运动的基础知识 • 质点系的动量、动量矩和动能定理 质点系的动量、 • 虚位移原理、达朗贝尔原理、惯性力系的简化 虚位移原理、达朗贝尔原理、 • 高等代数(线性代数)的基础知识 高等代数(线性代数)
1736年1月25日生于意大利的都灵 年 月 日生于意大利的都灵 日生于意大利的都灵, 1813年4月10日在法国巴黎去世, 年 月 日在法国巴黎去世 日在法国巴黎去世, 19岁当数学教授, 岁当数学教授, 岁当数学教授 为变分法奠定了理论基础, 为变分法奠定了理论基础, 是当时欧洲公认的第一流的数学家。 是当时欧洲公认的第一流的数学家。
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应用达朗贝尔原理: 应用达朗贝尔原理: 其中: 其中: FIi = − mi a i 应用虚位移原理: 应用虚位移原理:
若质点系所受的 约束为理想约束
§5-1 动力学普遍方程
设:质点系中第 i 个质点的质量为 mi;作用在其上的有主动力 Fi ; 作用在其上的有主动力 约束力 FNi . 质点的惯性力为 FIi Fi + FNi + FIi = 0 , (i = 1,L, n) ( Fi + FNi + FIi ) ⋅ δri = 0, (i = 1,L, n)
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工程中的动力学问题
卫星太阳翻版展开的动力学仿真
问题1: 问题 : 用什么方法建立系 统的动力学方程便 于编程计算? 于编程计算?
问题2: 问题 : 用什么方法求解系 统的动力学方程满 足精度要求? 足精度要求?
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工程中的动力学问题
问题3:用什么方法定性和定量地验证计算结果的正确性? 问题 :用什么方法定性和定量地验证计算结果的正确性?
( F − 4ma)δx = 0
δx ≠ 0, F − 4ma = 0
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x
§5-1 动力学普遍方程
例:图示系统在铅垂平面内运动,各物体的质量均为m,圆盘的半径为 , 图示系统在铅垂平面内运动,各物体的质量均为 ,圆盘的半径为R, 绳索与圆盘间无相对滑动。求滑块的加速度和圆盘 的角加速度。 绳索与圆盘间无相对滑动。求滑块的加速度和圆盘C 的角加速度。
ϕ
B
m3 g
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解:运动分析
车轴与车体之间无减振器
车轴与车体之间有减振器
研究对象: 研究对象: 多个物体组成, 多个物体组成,结构更加复杂 研究方法: 研究方法: 由简单到复杂, 由简单到复杂,由单一到综合
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减振结构: 减振结构:独立悬架
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工程中的动力学问题
现代研制的轿车、吉普车减振结构: 现代研制的轿车、吉普车减振结构:独立悬架
他写的《分析力学》 出版) 他写的《分析力学》(1788出版)一书运用变 出版 分原理和分析的方法,建立起完整和谐的力学体系, 分原理和分析的方法,建立起完整和谐的力学体系, 使力学分析化。 使力学分析化。
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问题的引出
§5-1 动力学普遍方程
1769年蒸汽机车的模型 年蒸汽机车的模型
– 矩阵的运算、矩阵的特征值与特征向量、二次齐函数 矩阵的运算、矩阵的特征值与特征向量、
• 数学分析(高等数学)的基础知识 数学分析(高等数学)
– 多元函数的偏导数、复合函数的导数、线性常微分方 多元函数的偏导数、复合函数的导数、 程的特解和通解
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第五章 Lagrange方程 方程
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问题的引出
质点系或刚体系的动力学问题
问题:用什么方法建立系统的运动与主动力的关系? 问题:用什么方法建立系统的运动与主动力的关系? 主动力的关系
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M
A
θ mg 2
问题的引出
问题1: 问题 :系统在图示位置 B
mg 1
O
F
平衡,用什么方法求 平衡,用什么方法求F 与 M 的关系?不计摩擦 的关系?
m3 g
• 应用虚位移原理:主动力的虚功之和为零 应用虚位移原理: A
θ mg 2
M
1
ωg m
O
问题2:系统中 杆匀角 问题 :系统中OA杆匀角 B 速转动, 速转动,用什么方法求图 示瞬时,力偶 的大小 的大小? 示瞬时,力偶M的大小? 不计摩擦
m3 g
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• 应用达朗贝尔原理:主动力、约束力和惯性力构成平衡力系 应用达朗贝尔原理:主动力、约束力和惯性力构成平衡力系
δrC
5 3 δx ≠ 0 [− a A − Rα C + g ]mδx + [−a A − Rα C + g ]mRδθ = 0 2 2 δθ ≠ 0 aA 3 5 [− a A − Rα C + g ] = 0 [− a A − Rα C + g ] = 0 αC 2 2
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