复杂机械系统动力学模拟人造地球卫星的运行轨道和.ppt

* * 理论力学专题 理论力学课程的内容与自然现象及工程实际有着广泛的联系,可以直接用于解决一些复杂的现代科技问题，甚至是定量计算。应用理论力学的概念、理论和方法解决实际问题，可以巩固深化课内学习所得，扩大知识面，激发求知欲和培养创新意识。 1. 复杂机械系统动力学模拟 ? 2. 人造地球卫星的运行轨道和姿态稳定性 ? 3. 陀螺三特性及其工程应用 ? 4. 地球的自转效应及其应用 ? 5. 惯性导航与有害加速度 ? 6. 人体运动数值仿真 ? 资料来源：5/eol/homepage/qqhru/courseware/071101/U/81/index.htm ? 工业机器人 移 动 式 机 器 人 航天飞机上 的空间机械臂 “哈勃 ”空间望远镜 弹钢琴的机器人 1. 复杂机械系统动力学模拟 复杂机械系统:机器人、航天器、汽车、工程机械，等。处理这类复杂机械系统的动力学问题应遵循解决一般工程问题的普遍原则： 工程问题→物理模型→数学模型→数学求解→特性分析 实践检验 动力学模拟的主要任务就是建立数学模型(又称建模，或建立系统的运动微分方程式)、数学求解及特性分析。显然，建立系统的数学模型是最关键的一步。 在理论力学课程中，已经初步掌握了一些建模方法，如牛顿力学方法、拉氏方程法、哈密顿正则方程法等，它们在解决复杂机械系统动力学问题中如何应用？会发生什么新问题（如：计算机实现）？怎样改进？这就是本专题的内容。 动画演示；多体系统动力学商用软件开发和应用。 ? 2. 人造地球卫星的运行轨道和姿态稳定性 人造地球卫星是围绕地球运行的人造天体。卫星尺寸比地球小得多，忽略其它天体对卫星的引力，则卫星可看成在地球引力作用下质点的运动。仅从理论力学中质点动力学的知识，就可以初步确定其轨道要素。 中心引力场中质点的运动轨道：圆锥曲线。质点初始位置及初始速度不同，轨道类型也不同。轨道为双曲线和抛物线时，质点远离力心不再返回，最小速度v2称为逃逸速度。对地球而言，v2=11.2km/s称为第二宇宙速度。轨道为圆时，质点的速度称为环绕速度。环绕速度随卫星离地面高度的增加而减小。在地球表面的环绕速度是发射人造卫星的最小速度v1=7.91km/s，称为第一宇宙速度。 人造地球卫星的轨道与卫星沿轨道的运动规律由6个轨道要素确定: 轨道倾角i 升交点经度Ω 轨道半长轴a 轨道离心率e 近地点幅角ω 过近地点时刻t 卫星有三种典型轨道:倾斜轨道、太阳同步轨道和地球同步轨道。如何实现/发射？ 发射场不在赤道上时，发射地球同步卫星都需要变轨；距赤道越远，变轨越复杂且消耗能量越大。我国原有的酒泉卫星发射中心及太原卫星发射中心所处纬度都较高，因而于80年代末建立了西昌卫星发射中心，它的纬度是28?，我国发射的地球同步卫星都是从这里起飞的。 1971.3.3我国成功地发射了一颗科学卫星“实践一号”，但却收不到信号，八天以后，信号突然出现。卫星出了什么故障？又是怎样自动恢复正常的？卫星在天上飞，看不见，摸不着，要回答这些问题，必须依靠力学理论——卫星姿态动力学。 姿态动力学：研究卫星绕其质心的转动运动及卫星各部的相对运动。这是实现卫星变轨和卫星功能的需要。 ??? ?轨道动力学：研究卫星质心绕地球的运动。 人造地球卫星动力学包含两个方面： 姿态稳定的方法有：重力梯度稳定、自旋稳定、双自旋稳定、三轴稳定，等。 具体原理如何？国内外发射人造地球卫星的经验和教训有哪些？基于理论力学的知识完全可以弄明白。 ? 3. 陀螺三特性及其工程应用 具有固定点的高速自转的转子在工程上称为陀螺，它有一些特殊的动力学特性，根据动量矩定理可以证明三自由度陀螺的定轴性、进动性、陀螺效应，等。 依据陀螺特性可以设计制造各种陀螺仪器，如自由陀螺仪、陀螺垂直仪、陀螺方位仪、陀螺罗经、惯导平台、陀螺稳定装置。它们分别应用于飞机、船舶、导弹的定位与导航，以及舰船、坦克的武器稳定系统，因而在现代航空、航海、航天领域得到了广泛的应用。 如何把一个转子在它的中心支起来并尽量减少干扰力矩，是制造实际陀螺仪需要首先解决的问题，经过一百多年的实践，现在已经有了许多解决方法，常用的支承方法有外框架式、内框架式、浮球式、动压支承式、静电支承式及超导支承式，等。 根据理论力学原理可以理解陀螺仪表的工作原理，对一些工程上常见的陀螺现象如螺旋桨飞机、研磨机、船舶上的轴承及带动量飞轮的卫星等，也可以给予科学的解释。 这些理论和实际应用问题都是对理论力学教学内容的很好的拓展 … … ? 4. 地球的自转效