单自由度动力学建模.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,单击此处编辑母版标题样式,三体机械臂 可伸展卫星太阳能电池板,汽车,五轴并联机床,.,绪论,机械动力学研究内容,：,机械原理由三部分组成,：,机械结构学、机构运动学和机械动力学,机械结构学,：机构组成原理、机构运动的可能性和确定性。,机构运动学,：,1,运动学分析,不考虑力的作用，从几何观点研究机构各构件运动参数（位移、速度、加速度）,2,运动学综合,仅从运动学角度设计新机构的方法。,.,机械动力学,：,1,动力学分析,研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力。,2,动力学综合（动力学设计）,从力与运动的相互作用角度对机械进行设计改进，使之达到运动学和动力学要求。,机械动力学四种分析方法,：,静力分析（,static,）,动态静力分析,(kinetio-static),动力分析,(dynamic),弹性动力分析,(elastodynamic),.,机构动力学模型主要有两种形式,:,一类是不含运动副约束反力的纯微分型动力学方程,其维数等于机构的自由度数目,;,另一类是含运动副约束反力的代数与微分混合型方程,其维数大于机构的自由度数目。,机构动力学分析的发展与现状,.,建立复杂机构动力学模型的常用力学方法有,:,*,牛顿,-,欧拉,(Newton-Euler),法,*拉格朗日,(Lagrange),法,*虚功原理法凯恩,(Kane),法,*旋量法和,R-W,法等。,机构动力学分析的发展与现状,.,牛顿,-,欧拉,(Newton-Euler),的特点是以矢量描述运动和力，从而具有很强的几何直观性，但列写各隔离体的动力学方程不可避免地出现理想约束反力，从而使未知变量的数目明显增多，扩大了求解规模。,Lagrange,法,是以系统的动能和势能为基础建立动力学方程的,可以避免出现不做功铰的理想约束反力，使未知量的数目最少，但随着刚体数目和自由度的增多，求导数的计算工作量十分庞大。,凯恩,(Kane),方法,特点是利用伪坐标代替广义坐标描述系统的运动，并将矢量形式的力和力矩包括达朗伯惯性力和惯性力矩直接向偏速度和偏角速度基矢量方向投影以消除理想约束反力，兼有矢量力学和分析力学的特点。,罗伯森,(Roberson),和维滕堡,(Wittenburg),应用图论的概念来描述多刚体系统的结构特征，使各种不同结构体系的多体系统能用统一的数学模型来描述,.,机构动力学分析的发展与现状,.,第一篇 机械刚体动力学,.,第一章,单自由度机械系统动力学建模方法,1,1,机构系统的功能关系,系统动能：,（,1-1,）,系统瞬时功率：（,1-2,）,根据动能原理：在任一时间间隔 内，系统上外力所做的功等于系统动能增量：,(1-3),微分得,即,(1-4),.,1,2,系统的等效力学模型,等效转化的原则：等效构件的等效质量具有的动能等于原机械系统的总动能；等效构件上作用的等效力或力矩产生的瞬时功率等于原机械系统所有外力产生的瞬时功率之和。,把具有等效质量或等效转动惯量，其上作用有等效力或等效力矩的等效构件称为机械系统的,等效动力学模型,。,一、等效动力学模型,.,等效力矩,M,e,等效转动惯量,J,e,等效力,F,e,等效质量,m,e,.,二、等效参数的确定,等效质量和等效转动惯量可以根据等效原则：等效构件所具有的动能等于原机械系统的总动能来确定。,对于具有,n,个活动构件的机械系统，构件,i,上的质量为,m,i,，相对质心,C,i,的转动惯量为,J,Ci,质心,C,i,的速度为,v,C i,构件的角速度为 ，则系统所具有的动能为：,1,、等效质量和等效转动惯量,.,当选取角速度为 的回转构件为等效构件时，等效构件的动能为：,根据等效原则：,得等效转动惯量：,.,当选取移动速度为 的滑件为等效构件时，等效构件的动能为：,根据等效原则：,得等效质量：,.,等效量的计算,1,、等效力和等效质量,1,S,3,等效力,F,e,等效质量,m,e,等效质量,m,e,等效力,F,e,.,1,不知道机构真实运动的情况下，可以求出等效量（,F,e,、,M,e,、,m,e,、,J,e,）,2,等效量（,F,e,、,M,e,、,m,e,、,J,e,）均为为机构,位置的函数,。,3,等效量（,F,e,、,M,e,、,me,、,J,e,）均为,假想的量,，不是机构真实的合力、合力矩、总质量和总转动惯量。,4,如果考虑惯性力和惯性力矩时，,等效力和等效力矩,与动态静力法中求出的,平衡力和平衡力矩,大小相等，方向相反,。,.,故有：,则：,.,写为：,(1-6),式中,Q,广义力或称为等效力,广义惯量或称为等效惯量,(1-7),(1-8),式（,1-6,）可表为：,(1-9),.,1,3,单自由度系统动力学建模统一方程,不失一般性，把系统外力,F,和力矩,M,统一记为,，,记广义坐标为,q,，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,。则广义力式（,1-7,）和广义惯量式（,1-8,）表为：,(1-12),(1-13),.,式中：,则系统的运动方程,可表示为矩阵形式,.,得运动方程,:,例,2,起升机构,.,运动方程为,:,例,3,曲柄滑块机构,.,式中,：,因,故有,.,代入系统运动方程表达式：,得到连杆机构动力学方程：,.,.,