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二、多体系统的动力学方程.doc
机械系统动力学微分方程的数值求解
姓名:梁栋 学号:1012201037 学院:机械学院 专业:机械工程
一、机械系统动力学简介
机械动力学(machinery dynamics)是研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力,并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学。
伴随着科技的进步,现代工业对机械设备的要求越来越高,现代机械设备正向着高速、大功率、精密、轻量、低噪等方向发展。为了满足这些要求,我们需要对机械产品的动态性能、工作质量做深入的研究,而机构动力学能够充分反映机械产品的性能,因此更应该引起我们的重视。
二、多体系统的动力学方程
一开环(链)三连杆机械手由杆1、2、3组成。各杆的长度分别为m,m;各杆横截面积,体密度 。(rad), 0(rad), (rad); 0(rad/s)。设在关节处用电机驱动, 关节和处分别加装有扭簧,各关节处作用的力矩分别为:
(Nm)
(Nm)
(Nm)
由题意得三连杆的质量分别为:
设水平向左为轴,竖直向上为y轴,原点为,系统的广义坐标分别为,如图中所示。
2.1系统的动能
.1 连杆的动能
设连杆的质心坐标为,则:
则求导可得
则连杆的质心速度
连杆的动能
2.1.2 连杆的动能
设连杆的质心坐标为,则:
则求导可得 :
则连杆的质心速度:
连杆的动能
2.1.3 连杆的动能
设连杆的质心坐标为,则:
则求导可得
则连杆的质心速度
连杆的动能
2.1.4 系统的总动能
则系统得总动能
2.1.5 求分别对的偏导
2.1.6 求分别对的偏导
2.1.7 求,,分别对时间t的导数
2.2 求解系统的势能
2.2.1连杆,,的势能
连杆的势能
连杆的势能
连杆的势能
2.2.2系统的总势能
总势能
2.2.3系统总势能对的偏导
2.2.4代值计算
为计算方便,将,,,,,代入以上各式中得:
2.3建立系统的动力学方程
第二类拉格朗朗日方程: (i=1,2,3)
将上述各式代入拉格朗日方程,其中 (i=1,2,3),并经过整理后可得如下方程组:
.
其中:
将系统的动力学方程写成矩阵的形式:
变换形式得:
令,,,,,
则:,,,,,,
,,
令
将二阶微分方程组降阶后可以表示为:
其中:,,,,,,,,分别为矩阵A中的各项,
,,,,,,,,分别为矩阵B中的各项,
,,分别为矩阵C中的各项
三、多体系统的动力方程的数值求解
3.1 利用MATLAB进行求解仿真
MATLAB提供了求解微分方程的模块ode45(),具有强大数值计算能力,和ode45()采用的是变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法, ode45()可求出的数值解,再绘出随时间t的曲线,可以对系统的动力学特性有一个更直观的了解。将原始系统的动力学方程矩阵依次记为A1、B1、C1、D1、E1。
3.1.1 建立函数文件:f.m
function xdot=f(t,x)
A1=[ 0.037579+0.018282*cos(x(2))+0.003046*cos(x(3))+0.006094*cos(x(2)+x(3)),
0.005079+0.009141*cos(x(2))+0.003046*cos(x(3))+0.003047*cos(x(2)+x(3)), 0.001016+0.001523*cos(x(3))+0.003047*cos(x(2)+x(3));
0.005079+0.009141*cos(x(2))+0.003046*cos(x(3))+0.003047*cos(x(2)+x(3)), 0.005079+0.003046*cos(x(3)),0.001016+0.001523*cos(x(3));
0.001016+0.001523*cos(x(3))+0.003047*cos(x(2)+x(3)), 0.001016+0.001523*cos(x(3)),0.001016 ];
B1=[0,-0.009141*sin(x(2))-0.003047*sin(x(2)+x(3)), -0.003047*sin(x(2)+x(3))-0.001523*sin(x(3));
0.009141*sin(x(2))+0.003047*sin(x(2)+x(3)),0, -0.001523*sin(x(3));
0.003047*sin(x(2)+x(3))+0.001523*sin(x(3)), 0.001523*sin(x(3)),0];
C1=[ -0.018282*sin(x(2))-
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