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[工学]多体动力学
多体动力学
摘要
多刚体系统的位置、姿态、运动及受力分析。
目录
引言 3
1 矢量 4
1.1 矢量的定义及符号 4
1.2 矢量的基本运算 5
1.3 单位矢量的定义和符号 6
1.4 零矢量的定义和符号 6
1.5 平移规定 6
习题一 6
2 坐标系 7
习题二 8
3 矢量的坐标阵和坐标方阵 8
习题三 10
4 方向余弦矩阵 10
4.1 方向余弦矩阵的定义 10
4.2 方向余弦矩阵的用途 11
4.3 方向余弦矩阵的性质 14
习题四 16
5 欧拉角 16
5.1 欧拉角的定义 16
5.2 欧拉角与方向余弦矩阵的关系 17
5.3 欧拉角的奇点 19
5.4 确定欧拉角的几何法 19
习题五 20
6 矢量在某参照物内对时间的导数 21
习题六 23
7 角速度 24
习题七 25
8 刚体上固定矢量在某参照物内对时间的导数 25
习题八 28
9 矢量在两参照物内对时间导数的关系 28
习题九 29
10 角速度叠加原理 30
习题十 31
11 角加速度 31
习题十一 31
12 角速度与欧拉角对时间导数的关系 32
习题十二 34
13 点的速度和加速度 34
习题十三 36
14 刚体上固定点及动点的速度与加速度 36
14.1 刚体上固定点的速度与加速度 36
14.2 刚体上动点的速度与加速度 39
习题十四 40
15 刚体的动力学方程 40
15.1 并矢 40
15.2 刚体惯性力向质心简化的主矢和主矩 43
15.3 达朗贝尔原理和动力学方程 45
习题十五 46
16 约束方程 46
习题十六 48
参考文献 48
引言
多体动力学的研究对象是由多个物体通过约束及力元件连接起来的空间机构。
将机构中的物体抽象为柔体,则得到多柔体系统,抽象为刚体则得到多刚体系统。这里只涉及多刚体系统。
欲确定物体的位置、姿态、运动及所受作用力和力矩,例如确定车身在静平衡时的位置和姿态,在一定操纵输入下的运动,以及某种运动下的受力,需要列写和求解包含所关心未知量的方程。
方程包括动力学方程和约束方程。动力学方程是指力与运动间关系的方程。列写动力学方程的方法按依据的原理分为矢量力学方法和分析力学方法。这里只包括直观的矢量力学方法。约束方程是指针对各种约束模型如球铰列出的对物体位置及姿态的限制方程。
下面介绍列写上述方程需要的矢量运算规则、空间刚体的位置和姿态描述方法、运动学关系及达朗贝尔原理。
矢量
矢量的定义及符号
矢量是具有大小和方向且满足一定运算规则的物理量,如力、位移、速度、加速度、角速度及角加速度。矢量用带箭头的符号表示,如,。
矢量的基本运算
矢量的基本运算如图1.2-1~6所示。下面证明(1.2-6)的第一式。令和的夹角为,在和
所张成的平面内画出两个辅助矢量和,如图1.2-7所示,其中与垂直,与夹角小于90°且,从而,矢量与垂直,与夹角小于90°且,从而,由于位于和所张成的平面内,故可设
(1.2-7)
其中m和n为两个待定常数,用和分别点乘上式有
(1.2-8)
(1.2-9)
利用混合积的性质有
(1.2-10)
(1.2-11)
由于沿的反方向,且大小为
(1.2-12)
从而
(1.2-13)
同理由于沿的正向,且大小为
(1.2-14)
从而
(1.2-15)
于是有
(1.2-16)
(1.2-17)
例1.2-1矢量在以为单位法向量的平面内的投影矢量为
(1.2-18)
单位矢量的定义和符号
单位矢量定义为大小为单位1的矢量,用带“”的符号表示,如。单位矢量可以用来表示一个方向,如主销的方向,车轮旋转轴线的方向及地面法方向。
零矢量的定义和符号
大小为零的矢量定义为零矢量,用“”表示。
平移规定
将一个矢量在空间平行移动,得到的矢量与原矢量相等。
例1.5-1 一个矢量和一个单位矢量点乘,则得到该矢量在单位矢量方向的投影。
(1.5-1)
例1.5-2 两个单位矢量和点乘为其夹角的余弦。
(1.5-2)
习题一
试改正下面各矢量表达式中的错误写法:
矢量与矢量的点积为零:
矢量与矢量的叉积为零矢量:
矢量与矢量的叉积为矢量:
矢量与的叉积为一个矢量,矢量与该矢量叉乘得矢量:
设某平面M的法向单位矢量为,与平面成一般角度的单位矢量为,试画图验证如下两个单位矢量都沿在该平面的投影方向:
试证明习题2中的两个单位矢量相等:。
试在2题的M平面中找到与夹角为最小的单位矢量。
已知二矢量和不共线,若,试证明:,。
空间一点O到某线段AB两端点的位置矢量分别为和,试证明点O到线段中点的位置矢量为。
空间一点O到某三角形ABC三顶点的位置矢量分别为、和,试证明点O到三角形形心(中线交点)的位置矢量为。
空间一矢量,试借助另一与不平行的矢量找到两个与垂直
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