空间运动多刚体系统动力学

力学学科分类---力学是从物理学中独立出来的一个分支学科力学分类力学是研究物质机械运动的科学。

机械运动亦即力学运动,是物质在时间、空间中的集团变化,包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。

力学原是物理学的一个分支学科,当物理学摆脱了机械(力学) 的自然观而获得进一步发展时,力学则在人类生产和工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化和发展,而从物理学中独立出来。

它既是探索自然界一般规律的基础科学,又是一门为工程服务的技术科学,担负认识自然和改造自然的任务。

力学的研究对象是以天然的或人工的宏观的物质机械运动为主。

但由于本学科自身的发展和完善以及现代科技发展所促成的学科的相互渗透,有时力学也涉及微观各层次中的对象及其运动规律的研究。

机械运动是物质的最基本的运动形式,但还不能脱离其他运动(热、电磁、原子、分子运动及化学运动等) 形式而独立存在,只是在研究力学问题时突出地甚至单独地考虑机械运动形式而已。

如果需要考虑不同运动之间的相互作用,则力学与其他学科之间形成交叉学科或边缘学科。

力学产生很早, 古希腊的阿基米德(约公元前287 —212) 是静力学的奠基人。

在欧洲文艺复兴运动以后,人们对力和运动之间的关系逐渐有了正确的认识。

英国科学家牛顿继承和发展了前人的研究成果,提出了物体运动三定律,标志着力学开始成为一门科学。

到了20 世纪,力学更得到蓬勃的发展。

到目前为止,已形成了几十个分支学科,诸如一般力学、固体力学、结构力学、物理力学、流体力学、空气动力学、流变学、爆炸力学、计算力学、连续介质力学、应用力学、岩土力学、电磁流体力学、生物力学,等等。

为了充分发挥这些力学文献的作用,必须对其进行科学的分类。

本文拟对力学文献的分类标准、分类体系和分类方法进行研究。

一、力学文献的分类标准根据力学文献的属性,其分类标准很多,但根据读者(用户) 的检索需求和文献分类法的立类列类原则,主要采用以下9 种标准:1.1 根据研究对象分根据研究各种物体不同的运动,力学就形成了不同的分类。

西南大学网络与继续教育学院课程代码： 1273 学年学季：20201单项选择题1、的自由度为（）。

. 0. 2. 4. 62、的自由度为（）。

. D. 4. 6. 8. 23、与圆柱铰自由度相同的约束是（）。

.空间滑移铰.平面铰.凸轮从动副.螺旋铰4、下列自由度最多的铰是（）。

.垂直约束.方向约束.平面相对等距约束.平行约束5、下列不属于铰的是（）。

.齿轮.垂直约束.齿轮副.点面约束6、该铰的自由度为（）。

. 6. 4. 0. 27、与垂直约束自由度相同的约束是（）。

.方向约束.点面约束.平行约束.固定铰8、的自由度为（）。

. 5. 3. 6. 09、与平面转动铰的自由度相同的铰是（）。

.平面滑移铰.点线约束.固定铰.点面约束判断题10、空间运动多刚体系统的动力学参数的定义和数值计算方法与平面运动多刚体系统相同。

. A.√. B.×11、机械系统刚体系动力学模型包括刚体、铰、外力与力元四个要素的定义。

. A.√. B.×12、钢性比为最低频率与最高频率的比值。

. A.√. B.×13、现代航天器是多个刚体和柔性体组成的系统。

. A.√. B.×14、接触问题不能视为接触力元。

. A.√. B.×15、点面约束为单方向相对转动约束。

. A.√. B.×16、机械系统动力学分析和运动学分析的目的是相同的。

. A.√. B.×17、动力学模型简化能提高计算效率。

. A.√. B.×18、空间相对等距约束含有2个独立方程。

. A.√. B.×19、合理定义组合铰不会减小数学模型的求解规模。

. A.√. B.×20、弹簧阻尼器是外力。

. A.√. B.×21、当部分的弹性变形与刚体运动相比可以不计时，依旧不能将这些柔性体视为刚体。

. A.√. B.×22、柔性多体系统的动力学参数定义与平面运动多刚体系统的动力学参数定义不同。

基于阅读机械臂研究的简单总结1 机械臂研究的目的现今社会中要求的是生产规模扩大、自动化程度提高。

而机械臂作为物料搬运的重要设备在现代化建设、生产过程中发挥着越来越重要的作用。

并且在全球化的市场中, 激烈的国际、国内市场也越来越依赖于科学技术的竞争, 这些都是促使工程机械臂设计开发技术向大型化、高可靠性、高速化、自动化和智能化方向发展的原因。

工程机械臂的机械设计者面临着新的、更严格的挑战。

其主要问题即为随着机械臂机构速度的提高, 构件柔度的加大, 精度要求的增加, 工程机械臂生产运行时产生较大的惯性力, 会导致弹性部件的变形。

当臂架机构运动进入高速区域时, 只有将运动部件作柔性体的假设, 形成所谓的柔性机构。

此时, 由于机构部件间的刚体运动与其弹性变形賴合等问题, 动力学模型将变得很复杂, 给实际问题的解决带来很大的困难。

事实上关于柔性体运动与其自身变形的复合动力学问题已经是目前的普遍性的难题。

2 机械臂系统的研究现状在通过三遍文章的阅读中, 多体系统动力学是国内外研究工程机械臂架系统最普遍的多体系统。

多体动力学是力学一个新的并迅速发展的分支, 它是相互连接的机体系统运动的非线性动力学。

首先介绍多体系统动力学的国内外研究现状。

多体系统的物理模型定义为由物体铰力元和外力等要素组成且具有一定拓扑结构的系统, 多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学。

多体系统动力学: 包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。

多体系统动力学研究内容主要包括刚、柔体动力学建模理论及其计算方法、微分方程的数值求解、计算效率、机构综合分析、柔性效应、控制理论、优化方法、实时仿真虚拟样机技术、并行计算和可靠性等。

现在多体动力学已经形成了比较系统的分析和建模方法。

其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。

3 工程机械臂主要研究方向工程机械臂架系统是工程机械设计的关键, 机械臂系统的合理与否将直接关系到整个工程机械的性能以及作用。

多体系统动力学简介多体系统动力学研究对象——机构工程中的对象是由大量零部件构成的系统。

在对它们进行设计优化与性态分析时可以分成两大类一类为结构——正常工况下构件间没有相对运动（房屋建筑，桥梁等）——关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定一类为机构——系统在运动过程中这些部件间存在相对运动（汽车，飞机起落架。

机器人等）——力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统多体系统动力学俄研究的对象——机构（复杂机械系统）不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态及其变化速度和加速度的关系典型案例：平面和空间机构的运动分析系统各部件间通过运动副与驱动装置连接在一起数学模型：各部件的位置与姿态坐标的非线性代数方程，以及速度与加速度的线性代数方程当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力典型案例：机车或汽车中安装有大量的弹簧阻尼器，整车设计中必须考虑系统在静止状态下车身的位置与姿态，为平稳性与操纵稳定性的研究打下基础数学模型：非线性微分代数方程组讨论载荷和系统运动的关系研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是工程设计中的重要问题动力学正问题——已知外力求系统运动的问题动力学逆问题——已知系统运动确定运动副的动反力，是系统各部件强度分析的基础动力学正逆混合问题——系统的某部分构件受控，当它们按照某已知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动数学模型：非线性微分代数方程组机械系统的多体系统力学模型在对复杂机械系统进行运动学与动力学分析前需要建立它的多体系统力学模型。

对系统如下四要素进行定义：•物体•铰链•外力（偶）•力元实际工程中的机械系统多体系统力学模型的定义取决于研究的目的模型定义的要点是以能揭示系统运动学与动力学性态的最简模型为优性态分析的求解规模与力学模型的物体与铰的个数有关物体——定义多体系统中的构件定义为物体多体系统力学模型中物体的定义并不一定与具体工程对象的零部件一一对应。

基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真研究引言：机械传动系统是工程领域中常见的研究对象，它承担着将动力传递到工作负载的重要任务。

传统的基于静力学的机械传动系统分析方法已经无法满足复杂系统的需求，因此基于多体动力学的建模与仿真研究变得越来越重要。

本文将重点介绍基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真的研究进展，并讨论其在实际工程中的应用。

一、多体动力学基础多体动力学是研究物体在空间中运动和相互作用的学科。

在机械工程中，多体动力学方法应用于机械系统的动力学分析。

通过建立机械系统的动力学模型，可以分析和预测系统在不同工况下的动力学行为。

二、机械传动系统建模方法1. 刚体元件建模刚体元件是机械传动系统的基本组成部分，如齿轮、轴等。

在建立机械传动系统的多体动力学模型时，首先需要对这些刚体元件进行建模。

建模方法包括虚质点法、刚体元素法等。

建模时需要考虑物体的质量、惯性矩等参数。

2. 接触问题建模机械传动系统中，元件间的接触问题是一个重要的研究内容。

接触问题的建模方法包括刚体接触和弹性接触两种。

刚体接触建模假设接触面之间无滑动，而弹性接触建模则考虑接触面的弹性变形。

对于刚体接触问题，常用的建模方法有闭合链法和过程方法等。

3. 动力学约束建模机械传动系统中存在各种运动学和动力学约束，这些约束对系统的动力学行为具有重要影响。

建模时需要将这些约束纳入考虑，以得到准确的分析结果。

常用的建模方法包括拉格朗日乘子法和柯氏力法等。

三、机械传动系统仿真技术基于多体动力学的机械传动系统仿真技术包括动力学分析和运动轨迹仿真两个方面。

1. 动力学分析动力学分析通过求解动力学方程，得到系统在不同工况下的运动学和动力学响应。

多体动力学软件（如ADAMS和SIMPACK等）提供了方便的求解方法。

通过动力学分析，可以得到系统的动态特性，如系统的振动模态、动力学力矩等。

2. 运动轨迹仿真运动轨迹仿真是对系统运动过程进行可视化展示，通过仿真结果可以直观地了解系统的运动轨迹和运动特性。

多体系统动力学华中科技大学CAD中心张云清2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析多体系统动力学机械束一．机械铰链与约束方程二．运动学分析基础三．平面多体系统运动学四空间多体系统运动学四．空间多体系统运动学五．动力学分析方程两种形式六．平面多体系统动力学多体系动学七．空间多体系统动力学2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析机械铰链与约束方程•坐标系的分类•坐标系的变换•基本约束•平面铰链•空间铰链•自由度2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析•大地坐标系—惯性坐标系地坐标系坐标系•刚体固连坐标系—质心固连坐标系-主轴固连坐标系•铰链坐标系—铰链标架•力元坐标系—力元标架2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析cos sin θθ−⎡⎤=⎢sin cos A θθ⎥⎣⎦2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析基本约束•垂直1型约束•垂直2型约束2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析基本约束•平行1型约束•2平行型约束2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面铰链•转动铰链(Revolute Joint)•(Translational(Prismatic)Joint)平移铰链(Translational(Prismatic) Joint)2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析空间铰链•Spherical Joint）球铰（S h i l J i t•圆柱铰链（Cylindrical Joint）•Prismatic Joint平移铰链（Prismatic Joint）•转动铰链（Revolute Joint）2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析空间铰链•万向节（Universal (Hooke)Joint）向节（U i l(H k)J i •螺旋铰链（Screw Joint）2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析自由度•平面机构自由度2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析自由度•空间机构自由度2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析运动学分析基础•位置、速度、加速度方程•铰链的约束方程•驱动约束的方程运动学分析的计算方•运动学分析的计算方法2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析位置、速度、加速度方程•平面问题位置、速度、加速度方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析位置速度加速度方程位置、速度、加速度方程•空间问题位置、速度、加速度方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析位置、速度、加速度方程位置速度加速度方程•空间问题位置、速度、加速度方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析铰链的约束方程•Ground Constraints•Revolute Joint•Prismatic Joint2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析铰链的约束方程•Prismatic Joint2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析驱动约束的方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析运动学分析的计算方法2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析运动学分析的计算方法2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析•两自由度平面机械臂运动学分析•平面曲柄滑块机构运动学分析2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析•空间曲柄连杆机构运动学分析•空间四连杆机构运动学分析2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析动力学分析方程两种形式•最大量坐标形式—DAE方程•---ODE最小量坐标形式ODE方程•开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析最大量坐标形式—DAE方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析最大量坐标形式—DAE方程DAE2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析最小量坐标形式---ODE 方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析ODE 最小量坐标形式---ODE 方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析ODE 最小量坐标形式---ODE 方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面多体系统动力学平面刚体的广义惯性力平面刚体的动力学方程受约束的平面刚体系统动力学方程受束学2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力cos sin sin cos A θθθθ−⎡⎤=⎢⎥⎣⎦sin cos cos sin A θθθθθ−−⎡⎤=⎢⎥−⎣⎦2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力-质心固连坐标系2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体系统动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析。

刚体动力学的基本概念第二篇动力学第五章刚体动力学的基本概念一、目的要求 1．深入地理解力、刚体、平衡和约束等重要概念。

2．静力学公理（或力的基本性质）是静力学的理论基础，要求深入理解。

3. 能正确地将力沿坐标轴分解和求力在坐标轴上的投影，对合力投影定理有清晰的理解。

4. 理解力对点之矩的概念，并能熟练地计算。

5．深入理解力偶和力偶矩的概念，明确力偶的性质和力偶的等效条件。

6．明确和掌握约束的基本特征及约束反力的画法。

7．熟练而正确地对单个物体与物体系统进行受力分析，画出受力图。

二、基本内容 1．重要概念 1）平衡：物体机械运动的一种特殊状态。

在静力学中，若物体相对于地面保持静止或作匀速直线平动，则称物体处于平衡。

2）刚体：在力作用下不变形的物体。

刚体是静力学中的理想化力学模型。

3）约束：1/ 11对非自由体的运动所加的限制条件。

在刚体静力学中指限制研究对象运动的物体。

约束对非自由体施加的力称为约束反力。

约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动或运动趋势的方向相反。

4）力：物体之间的相互机械作用。

其作用效果可使物体的运动状态发生改变和使物体产生变形。

前者称为力的运动效应或外效应，后者称为力的变形效应或内效应，理论力学只研究力的外效应。

力对物体作用的效应取决于力的大小、方向、作用点这三个要素，且满足平行四边形法则，故力是定位矢量。

5）力的分类：集中力、分布力；主动力、约束反力 6）力系：同时作用于物体上的一群力称为力系。

按其作用线所在的位置，力系可以分为平面力系和空间力系，按其作用线的相互关系，力系分为共线力系、平行力系、汇交力系和任意力系等等。

7）等效力系：分别作用于同一刚体上的两组力系，如果它们对该刚体的作用效果完全相同，则此两组力系互为等效力系。

8）平衡力系：若物体在某力系作用下保持平衡，则称此力系为平衡力系。

9）力的合成与分解：若力系与一个力FR等效，则力FR称为力系的合力，而力系中的各力称为合力FR的分力。

多自由度机械系统建模与动力学分析简介多自由度机械系统在工程中具有广泛的应用。

它由多个刚体组成，每个刚体可以沿着多个坐标轴进行运动。

对于这样的系统，建立准确的数学模型和进行动力学分析是非常重要的。

本文将介绍多自由度机械系统的建模方法和动力学分析。

一、刚体运动的描述在多自由度机械系统中，刚体的运动可以用欧拉角、角速度和角加速度来描述。

具体来说，一个刚体可以绕固定坐标轴的旋转和平动，因此需要考虑旋转和平动的自由度。

1. 旋转自由度欧拉角是描述刚体旋转的重要工具。

通常，一个刚体的旋转可以用绕固定坐标轴的三个角度（俯仰角、滚动角和偏航角）来描述。

欧拉角能够提供完全的刚体姿态信息，因此在多自由度机械系统的建模中广泛使用。

2. 平动自由度刚体的平动可以通过位置矢量来描述。

对于一个多自由度机械系统，每个刚体都有自己的位置矢量，从而描述其在空间中的运动。

二、多自由度机械系统的建模建立多自由度机械系统的模型是理解和分析系统行为的关键。

建模的过程可以通过使用拉格朗日方程和哈密顿原理来完成。

1. 拉格朗日方程拉格朗日方程是多自由度机械系统建模中的重要工具。

该方程基于拉格朗日函数，通过最小化系统的运动方程得到。

对于一个n自由度的系统，拉格朗日方程可以表示为：L = T - V其中，L是系统的拉格朗日函数，T是系统的动能，V是系统的势能。

通过对拉格朗日函数求导并应用欧拉-拉格朗日方程，可以得到系统的广义力和运动方程。

2. 哈密顿原理哈密顿原理是另一种用于建模多自由度机械系统的方法。

它基于变分原理，通过最小化系统的作用量来得到系统的动力学方程。

哈密顿原理可以表示为：δS = 0其中，S是系统的作用量，δ表示变分。

通过对作用量的变分，可以导出系统的广义力和运动方程。

三、多自由度机械系统的动力学分析动力学分析是研究多自由度机械系统运动规律和受力情况的过程。

它涉及到求解系统的运动方程和分析系统的稳定性。

1. 运动方程的求解多自由度机械系统的运动方程可以通过拉格朗日方程或哈密顿原理来求解。