第十章_凯恩方程.ppt

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第十章 凯恩方程 应用力学研究所 李永强 东北大学理学院应用力学研究所 李永强 第十章 凯恩方程 §10.1 偏速度和偏角速度 §10.2 凯恩方程 1. 同Appell思路一样构造独立的速度变量(伪速度)代替不独立的速度变量; 2. 引入偏速度(partial velocity),偏角速度(partial angular velocity), 广义主动力(Generalized active forces) ,广义惯性力(Generalized inertia forces), 运动方程由形式简单的广义主动力,广义惯性力表示 3. 广义主动力,广义惯性力便于计算机计算,步骤程序化 §10.1 偏速度和偏角速度 具有 n 个质点的非完整系统,受到 d 个完整约束和 g 个非完整约束,则系统的独立的坐标变分数(即系统的自由度)为: f = 3n-d-g 系统中每一个质点 Mi 的矢径可用广义坐标表示,即 则质点的速度 令 , ,则上式可写成: 式中 和 通常是广义坐标 qj 和时间 t 的函数。 §10.1 偏速度和偏角速度 对于刚体系统,类似地可对第 i 个刚体的瞬时角速度表示为: 式中 和 通常是广义坐标 qj 和时间 t 的函数。 根据伪速度的定义,系统的广义速度可以用 f 个独立的伪速度 表示为 则 其中 称为质点系中第 i 个质点相对于第γ个独立的速度变量 的偏速度。 和 一般为广义坐标 qj 和时间 t 的函数。 §10.1 偏速度和偏角速度 类似可得 式中称 为刚体系中第 i 个刚体相对于第γ个独立的速度变量 的偏角速度。 和 一般为广义坐标 qj 和时间 t 的函数。 对于完整系统,由于广义速度 ( j=1 , 2 , … , k )彼此独立,因此可以取伪速度 为广义速度,即 ( γ = j = 1 , 2 , … , k ),则相对独立广义速度的偏速度 §10.1 偏速度和偏角速度 注意: 偏速度和偏角速度是关于广义坐标 qj 和时间 t 的矢量函数,是相对于独立速度而言的,这里的独立速度可以是独立的广义速度 ,也可以是预先选定的的独立的伪速度 。由于独立速度变量的选取不是唯一的,因此对于同一质点或刚体可以有不同形式的偏速度和偏角速度。但是对于质点系中每一个质点 Mi 和刚体系中每一个刚体 Di ,都分别有与系统自由度数相同数目的偏速度和偏角速度。因此,在讲偏速度和偏角速度时,必须指明是哪个质点或刚体相对应哪个独立速度的偏速度或偏角速度。 §10.1 偏速度和偏角速度 例10-1 设一质点 A 在 Oxy 平面内沿固定的抛物线轨道运动,轨道方程为 ,其中a为常数,求偏速度。 解:该系统为单自由度完整系统。质点A的速度投影 应满足限制条件 现取 y 为独立广义坐标,则 为独立广义速度,质点 A 的速度可表示为 相对于独立速度 的偏速度为 §10.1 偏速度和偏角速度 例10-2 求图示双摆系统的偏速度。 解:取?1和?2为独立广义坐标,则 和 均为独立速度。作单位矢量 和 分别垂直于OA和AB。则质点A和B的速度可分别表示为: 可见,质点 A 对于 和 的偏速度分别为: 而质点 B 的两个偏速度分别是 : §10.1 偏速度和偏角速度 考虑到 和 则可将 和 用 表示为: 因而,点 A 和点 B 对于独立速度 和 的偏角速度成为: §10.1 偏速度和偏角速度 例10-3 行星齿轮Ⅱ半径为r,由连杆OA带动沿固定的的大齿轮Ⅰ滚动。轮Ⅰ的半径为R。试求偏速度与偏角速度。 解:系统为单自由度完整系统,选连杆的转角 ? 为广义坐标,则点 A 的速度可写成 式中 的矢量系数就是点 A 对于 的偏速度,即 其中l = R+r。以 表示连杆OA的角速度,有 故连杆对于的偏角速度为 §10.1 偏速度和偏角速度 令行星齿轮Ⅱ的角速度为 ,则

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