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《多剛體動力學(xué)下》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、多體系統(tǒng)動力學(xué)下冊R.L.休斯敦 劉又午 著天津大學(xué)出版社140目錄140第六章慣量概念6.1前言為了導(dǎo)出慣性力表達(dá)式,必先具備有關(guān)物體慣性特性的知識。當(dāng)質(zhì)點在慣性參考系(或牛頓參考系)中加速時間時,其上作用的外力與加速度成正比。如圖6.1,R為慣性參考系,P為質(zhì)點,F(xiàn)為作用與質(zhì)點的力,則P中的加速度RaP與F的關(guān)系可表示為F=mRaR(6.1.1)根據(jù)經(jīng)典理論,質(zhì)點的質(zhì)量只決定于其物理特性,而與其加速度無關(guān)。如視物體為質(zhì)點的集合,則其質(zhì)量(或慣量)特性即可由質(zhì)點推出。本章將復(fù)習(xí)和給定用于多體系統(tǒng)分析的有關(guān)物體的慣量特性。6.2一次矩為描述物體的慣量特性,一次
2、矩和二次矩是兩個有用的矢量。質(zhì)點的一次矩定義如下:見圖6.2.1,令P為質(zhì)點,m為其質(zhì)量,p為給定P對參考點O的位置矢量。則P對O的一次矩LP/O為LP/O=mp(6.2.1)一次矩的大小與質(zhì)點的質(zhì)量及其至參考點O的距離成正比。140其次,考察如圖6.2.2所示N個質(zhì)點Pi(i=1,…,N)組成的質(zhì)點系S。S對參考點O的一次矩可定義為各質(zhì)點對O點一次矩之和。即(6.2.2)式中mi為S中任意質(zhì)點Pi的質(zhì)量。6.3質(zhì)心質(zhì)點系S的質(zhì)心定義為質(zhì)系S對其一次矩為零的那個參考點G。即如G為S的質(zhì)心,則LS/G=0(6.3.1)見圖6.3.1,令S為質(zhì)點系,O為任意參考系
3、,G為質(zhì)心;pG為G對O的位置矢量,ri為Pi對G的位置矢量,則有pi=PG+ri(6.3.2)而由式(6.3.1),如G為S的質(zhì)心,則(6.3.3)式(6.3.2)代入(6.3.3)可有(6.3.4)因pG不含下標(biāo)i,與和式無關(guān),故可提至和式之外,如最后的等式。和式140即是S的總質(zhì)量。故由式(6.3.4)可得(6.3.5)式中M為S的總質(zhì)量。因剛體可視為一個質(zhì)點系,故可用式(6.3.5)求得剛體的質(zhì)心。而作為連續(xù)體,組成剛體的質(zhì)點數(shù)目應(yīng)該很大。故應(yīng)令式(6.3.5)中N無限的增大,最終可以物體占有區(qū)域的體積分取代其中和式。如B為剛體,其質(zhì)心為G,則G對任意
4、參考點O的位置矢量可表示為(6.3.6)如V內(nèi)質(zhì)量均勻分布(即ρ為常數(shù)),則式(6.3.6)簡化為(6.3.7)式中V為B占有空間的體積。故對勻質(zhì)物體,質(zhì)心位置僅決定于物體形狀。對常見物體(或圖形),pG已由式(6.3.7)確定。有關(guān)結(jié)果在很多力學(xué)教科書和手冊中皆可查到(參見[6.1-6.6])。本章末附錄中列出了常見形狀物體的質(zhì)心位置。6.4在多體系統(tǒng)中的應(yīng)用再考察式(6.3.5)(6.4.1)式中S為n個質(zhì)點組成的任意系統(tǒng)。可由此式導(dǎo)出確定多體系統(tǒng)質(zhì)心的算法。設(shè)多體系統(tǒng)S包含N個物體Bk(k=1,…,N),如圖6.4.1。對任意典型物體Bk,它的質(zhì)心至參考
5、點O的相對位置可用式(6.4.1)確定。140即(6.4.2)式中為Bk質(zhì)量。此式可改寫為(6.4.3)式中為組成的質(zhì)點數(shù),上面最后一個等式系由式(6.2.2)和一次矩定義得來。注意到式(6.4.1)中的和式由有限項組成,故可根據(jù)各獨立物體,將它分為若干和式。即可將和表示為(6.4.4)和(6.4.5)比較式(6.4.3)(6.4.4)??梢耘卸ㄊ剑?.4.4)中各獨立和式即是各獨立物體的一次矩。即整個系統(tǒng)的一次矩可表示為(6.4.6)同理,由式(6.4.5)。S的總質(zhì)量M可表示為各獨立物體質(zhì)量之和,即140(6.4.7)再比較式(6.4.3)(6.4.4)可
6、知(6.4.8)解pG可得(6.4.9)式(6.4.9)給出確定多體系統(tǒng)質(zhì)心所需的算式??疾靾D6.4.2所示系統(tǒng),說明其具體應(yīng)用。此系統(tǒng)由一個立方體、一個圓柱體、四個桿和一個球,共七個物體組成。令立方體每邊長1m。令各桿尺寸相同,皆為直徑4cm,長1m。令圓柱體直徑為1/3m,長1m。令球的直徑為1/3m。令B6與球面相連,且軸線通過球心。除B1有圓柱形空腔外,各物體都是勻質(zhì)的。空腔貫穿立方體,其直徑為1/3m。令立方體、圓柱和球的密度為7.8×103kg/m3(鋼),桿的密度為9.8kg/m。令B3和B6與X軸平行,B4和B5與Y-Z平面平行。只需計算式(6
7、.4.9)中的和式,即可確定此系統(tǒng)相對于直角坐標(biāo)系XYZ原點O的質(zhì)心位置。為計算和式最好用圖6.4.2的單位矢量N1、N2和N3表示各矢量。實際上計算過程不過是簡單的乘法和表中各列相加。各體的體積、質(zhì)量和質(zhì)心位置列如表6.4.1。第3列相加為總質(zhì)量。乘積見第7、8和9列。稱空腔為B0140;其質(zhì)量應(yīng)冠以負(fù)號。參見本章末附表,可得第4、5和6列各值。由表6.4.1可知系統(tǒng)總質(zhì)量為7990.32kg。且和式可寫為kgm(6.4.10)為140(6.4.11)表6.4.1及各和式易于表達(dá)為計算機(jī)算法。首先輸入第1、2和3列數(shù)據(jù)。其次,引用較低序體連接陣列(見4.2節(jié)
8、)。本例無分支,陣列很簡單L0(K)=