机械系统动力学课程课件 绪论 pdf版

《机械系统动力学课程课件 绪论 pdf版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械系统动力学课程课件 绪论 pdf版（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、机械系统动力学机械系统动力学 Mechanical System Dynamics 段玥晨段玥晨 郑州大学郑州大学 机械工程学院机械工程学院 郑州大学研究生课程郑州大学研究生课程 1 1 绪论绪论 机械系统动力学机械系统动力学 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论课程任务课程任务 研究对象研究对象 机械系统机械系统 动力学动力学 性态性态 主要内容：机械系统动力学建模、求解和数值计算主要内容：机械系统动力学建模、求解和数值计算 课程目标：力学建模能力；分析判断能力；实践应用能力课程目标：力学建模能力；分析判断能力；实践应用能力 预修课程：理论力学，材料力学，高等

2、动力学，数值分析预修课程：理论力学，材料力学，高等动力学，数值分析 参考教材：洪嘉振参考教材：洪嘉振, 刘锦阳刘锦阳 编著编著. 机械系统计算动力学与机械系统计算动力学与 建模建模, 高等教育出版社高等教育出版社, 2011年第年第1版版 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论课程任务课程任务 工程中的对象是由大量零部件构成的系统，在对工程中的对象是由大量零部件构成的系统，在对 它们进行性态分析和优化设计时可分为两类：它们进行性态分析和优化设计时可分为两类： 结构结构 机构机构 1、结构：构件之间没有相对运动、结构：构件之间没有相对运动 研究内容：结构在受载荷时的强

3、度、刚度、稳定性（材料研究内容：结构在受载荷时的强度、刚度、稳定性（材料 力学、结构力学、固体力学等学科的研究内容）。力学、结构力学、固体力学等学科的研究内容）。 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论课程任务课程任务 工程中的对象是由大量零部件构成的系统，在对工程中的对象是由大量零部件构成的系统，在对 它们进行性态分析和优化设计时可分为两类：它们进行性态分析和优化设计时可分为两类： 结构结构 机构机构 2、机构机构：系统运行过程中部件之间存在：系统运行过程中部件之间存在相对运动相对运动 机构是我们关注的机构是我们关注的机械系统机械系统。这类复杂机械系统的力学模。这

4、类复杂机械系统的力学模 型由多个物体通过运动副连接，称为型由多个物体通过运动副连接，称为多体系统多体系统。 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论课程任务课程任务 机械系统的性态分为三类：机械系统的性态分为三类： 1、运动学分析运动学分析 在不考虑运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态，以在不考虑运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态，以 及它们的速度和加速度。及它们的速度和加速度。 最终是求解线性与非线性代数方程最终是求解线性与非线性代数方程 2、动力学分析动力学分析 研究系统的载荷与系统运动的关系。研究系统的载荷与系统运动的关系。 最终是求解微分最终是求解微分-

5、 -代数混合方程或代数方程代数混合方程或代数方程 3、静力学分析静力学分析 当系统受到静载荷作用时，确定在运动副制约下的系统平当系统受到静载荷作用时，确定在运动副制约下的系统平 衡位置及运动副静约束力。衡位置及运动副静约束力。 是动力学分析的一种特殊情况是动力学分析的一种特殊情况 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论课程任务课程任务 产品虚拟设计流程产品虚拟设计流程 任务要求任务要求 力学模型力学模型 数学模型数学模型 数值计算数值计算 性能分析性能分析 制图设计制图设计 达到要求达到要求 参数改变参数改变 构型改变构型改变 是是 否否 否否 机 械 系 统 动

6、力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统的定义多体系统的定义 以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统以一定的联接方式互相关联起来的多个物体构成的系统称称 为为多体系统多体系统（Multibody System） 。 体与体间一般有相对运动（体与体间一般有相对运动（刚体运动刚体运动） 多体系统动力学在航空航天、机器人、车辆、生物力学等多体系统动力学在航空航天、机器人、车辆、生物力学等 领域均有大量应用。领域均有大量应用。 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统的定义多体系统的定义 如果多体系统中所有的体均为刚体如果多体系统中所有的体均为

7、刚体，则称该系统为则称该系统为多刚体多刚体 系统系统（Multi-Rigid-Body System）； 若有柔性体，若有柔性体，称为称为柔性多体系统柔性多体系统（Flexible Multibody System）。 另有刚另有刚-柔耦合多体系统、刚柔耦合多体系统、刚-柔柔-液耦合系统、刚体液耦合系统、刚体-软材软材 料系统等分类。料系统等分类。 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统的定义多体系统的定义 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统的抽象模型多体系统的抽象模型 多体系统可以抽象为以下四个要素的组合：多体系统可

8、以抽象为以下四个要素的组合： 1.1.体体( (Body) )： 多体系统中的构件多体系统中的构件 2.2.铰铰( (Joint, Hinge) )： 体间的运动约束，无质量体间的运动约束，无质量 3.3.外力外力( (External force) )： 系统外部物体所施加的力或力矩系统外部物体所施加的力或力矩 4.4.力元力元( (Force element) )：体间的相互作用力：体间的相互作用力 体间的作用关系既可以通过运动约体间的作用关系既可以通过运动约 束来限制，也可以通过力来限制束来限制，也可以通过力来限制 约束与力的等价约束与力的等价 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统

9、动 力 学1绪 论绪 论多体系统动力学的地位多体系统动力学的地位 多体系统动力学多体系统动力学是是一般力学一般力学与力学基础（动力学与控制）与力学基础（动力学与控制） 学科的一个重要分支学科的一个重要分支。 描述大范围相对运动：描述大范围相对运动：刚体运动学和动力学刚体运动学和动力学 组建系统动力学方程：组建系统动力学方程：分析力学、牛顿力学分析力学、牛顿力学 描述弹性变形运动：描述弹性变形运动：弹性力学、有限元理论弹性力学、有限元理论和和连续连续 介质力学介质力学 动力学方程的求解：动力学方程的求解：计算力学、数值分析计算力学、数值分析 运动的控制：运动的控制：控制理论控制理论 机 械 系

10、统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统动力学的研究方法多体系统动力学的研究方法 刚体运动的描述：刚体运动的描述： 欧拉角欧拉角 四元数四元数 所使用的力学原理：所使用的力学原理： 牛顿力学牛顿力学 分析力学分析力学 约束的处理：约束的处理： 广义坐标广义坐标 Kane方法方法 广义坐标广义坐标+ +乘子乘子 较有影响的方法：较有影响的方法： 运动关系的描述：运动关系的描述： 相对运动相对运动 绝对运动绝对运动 R-W方法方法：广义坐标：广义坐标+相对运动相对运动+分析力学分析力学 Kane-Huston方法方法：广义坐标：广义坐标+相对运动相对运动+Kane方程方程 乘

11、子方法乘子方法：广义坐标：广义坐标+ +乘子乘子+ +分析力学分析力学 ANCF方法方法：广义坐标：广义坐标+绝对运动绝对运动+分析力学分析力学 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统动力学的研究方法多体系统动力学的研究方法 相对运动分析方法相对运动分析方法 以体间的相对运动为广义坐标以体间的相对运动为广义坐标 所建立的方程为常微分方程组所建立的方程为常微分方程组(ODEs) MqF绝对运动分析方法绝对运动分析方法 以体相对于惯性系的运动为广义坐标以体相对于惯性系的运动为广义坐标 所建立的方程为微分所建立的方程为微分- -代数混合方程组代数混合方程组(DAE

12、s) 0qMqF 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论代表人物代表人物 国外：国外： 德国：德国：Wittenburg J, Schiehlen W, Eberhard P 美国：美国：Kane T. R, Book W.J, Shabana A. A 其它：其它：Ambrosio J (葡萄牙葡萄牙), Yigit A.S(科威特科威特), Yoo H. H(韩国韩国) 国内：国内： 北理工：胡海岩北理工：胡海岩 北航：王琪北航：王琪 北大：刘才山北大：刘才山 上海交大：刘延柱，洪嘉振上海交大：刘延柱，洪嘉振 清华：李俊峰，宝音贺西清华：李俊峰，宝音贺西 大连理

13、工：齐朝晖大连理工：齐朝晖 南京理工：芮筱亭，章定国南京理工：芮筱亭，章定国 哈工大：黄文虎，曹登庆哈工大：黄文虎，曹登庆 吉大：陆佑方吉大：陆佑方 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论参考文献参考文献 多刚体系统动力学：多刚体系统动力学： 刘延柱等刘延柱等. 多刚体系统动力学多刚体系统动力学. 高等教育出版社高等教育出版社, 1989 J.Wittenburg. Dynamics of Multi-Rigid-body Systems. Teubner, 1977（国内有（国内有谢传锋译本）谢传锋译本） 袁士杰袁士杰. 多刚体系统动力学多刚体系统动力学. 北京理

14、工大学出版社北京理工大学出版社, 1992 柔性多体系统动力学：柔性多体系统动力学： 陆佑方陆佑方. 柔性多体系统动力学柔性多体系统动力学. 高等教育出版社高等教育出版社, 1996 黄文虎等黄文虎等. 多柔体系统动力学多柔体系统动力学. 科学出版社科学出版社, 1996 洪嘉振洪嘉振. 计算多体系统动力学计算多体系统动力学. 高等教育出版社高等教育出版社, 1999 A. A. Shabana. Dynamics of Multibody Systems. Wiley, 1989 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论多体系统动力学在工程中的应用多体系统动力学在工

15、程中的应用 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论平板阵列天线展开平板阵列天线展开 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论环形桁架天线展开环形桁架天线展开 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论太阳帆自旋展开太阳帆自旋展开 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论柔性机械臂抓取控制柔性机械臂抓取控制 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论汽车多体动力学分析汽车多体动力学分析 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论大变形梁分析大变形

16、梁分析 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论500m口径射电望远镜口径射电望远镜FAST 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论空间机械臂加载过程的碰撞空间机械臂加载过程的碰撞 Zhang D G, Angeles J. Impact Dynamics of Flexible- Joint Robots. Computers and Structures, 2005, 83: 25-33. 机 械 系 统 动 力 学机 械 系 统 动 力 学1绪 论绪 论空间交会对接过程中的碰撞空间交会对接过程中的碰撞 尤超蓝尤超蓝, 洪嘉振洪嘉振. 空间交会对