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@ -84,9 +84,55 @@ Notation is a challenging issue in dynamics. Given the limitations of the Latin
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It is traditional to use a bold typeface to represent vectors and tensors, but this is very difルcult to reproduce in handwriting, whether on a board or in personal notes. A notation that is more suitable for hand-written notes has been adopted here. Vectors and arrays are denoted using an underline, such as $\underline{{\boldsymbol{u}}}$ or $\underline{{F}}$ . Unit vectors are used frequently and are assigned a special notation using a single overbar, such as $\bar{\imath}_{1}$ , which denotes the ルrst Cartesian coordinate axis. The overbar notation also indicates non-dimensional scalar quantities, i.e., $\bar{k}$ is a non-dimensional stiffness coefルcient. This is inconsistent, but the two uses are in such different contexts that it should not lead to confusion. Second-order tensors and matrices are indicated using a doubleunderline, i.e., $\underline{{\underline{{R}}}}$ indicates a $3\!\times\!3$ rotation tensor or $\underline{{\underline{{M}}}}$ a $n\times n$ mass matrix.
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Notations $a^{T}b,\widetilde{a}b.$ , and $\boldsymbol{\underline{{a}}}\,\boldsymbol{\underline{{b}}}^{T}$ indicate the scalar, vector, and tensor products, respectively, of two v e ctors, $\underline{a}$ and $\underbar b$ . While many students voice their displeasure with this mnemonic convention that departs from the classical “dot” and “cross product” notations, they very rapidly recognize and appreciate its power and conciseness.
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Notations $a^{T}b,\widetilde{a}b.$ , and $\boldsymbol{\underline{{a}}}\,\boldsymbol{\underline{{b}}}^{T}$ indicate the scalar, vector, and tensor products, respectively, of two v e ctors, $\underline{a}$ and $\underline{b}$ . While many students voice their displeasure with this mnemonic convention that departs from the classical “dot” and “cross product” notations, they very rapidly recognize and appreciate its power and conciseness.
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Finally, I am indebted to the many students at Georgia Tech who have given me helpful and constructive feedback over the past decade as I developed the course notes that are the precursors of this book. The constructive use of their many questions and confusion has helped shape this book, and the treatment of many topics was modiルed numerous times before ルnding their ルnal form.
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多体动力学分析最初是作为一种工具来对具有简单树状拓扑结构的刚体
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多体系统进行建模的,但它已经发展到可以处理具有任意拓扑结构的线性及非线性弹性多体系统。现在,它被广泛用作许多工程领域中的一项基本设计工具。
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本书的产生源于过去二十年来,为工程学生教授高级动力学和挠曲多体动力学研究生课程所做的努力。虽然本书回顾了动力学的基本原理,但假设选修这些研究生课程的学生已经完成了静态学、动力学、变形体、能量方法和数值分析等本科课程的综合体系。高级动力学课程当然是挠曲多体动力学课程的先决条件。
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本书分为六个部分。第一部分介绍了构成其他部分基础的基本工具和概念。它从回顾向量和张量上的基本运算开始。第二章处理坐标系。微分几何曲线和曲面均被介绍,并导出了路径和曲面坐标。**第三章回顾了动力学的基本原理**,从牛顿定律开始。讨论了保守力的重要概念。然后处理粒子系统,从而得出欧拉的一、二定律。
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第四章以对三维旋转的详细描述来结束本书的第一部分。对于大多数研究生来说,本章并非真正的回顾。事实上,许多本科动力学课程主要关注二维系统。如果涉及三维旋转,往往会在学期的最后几周匆忙处理,导致大多数学生缺乏吸收这一困难材料的足够时间。
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第二部分发展了刚体动力学,它是多体动力学的基础。第五章的重点是刚体的运动学分析。它从分析刚体的总体和速度场开始。还讨论了相对速度和加速度的经典主题。对运动张量及其性质进行了深入处理。
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**第六章的重点是刚体的动力学**。介绍了控制刚体旋转运动的欧拉定律的各种形式。虽然本章的重点是三维问题,但平面运动也进行了详细的处理。
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第三部分介绍了分析动力学的基本概念。第**七章介绍了虚拟位移、虚拟旋转和虚拟功的概念**。对静态问题的虚拟功原理进行了广泛的介绍,因为这是动力学变分和能量原理(在第八章中介绍)研究不可或缺的主题。推导了达朗贝尔原理、哈密顿原理和拉格朗日公式,并用许多示例说明了其用法。
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多体系统具有两个显著特征:系统组件会发生有限相对旋转,并且这些组件通过机械关节连接,这些关节对它们的相对运动施加了限制。第一个显著特征是纯粹的运动学性质:在多体系统中,整体和相对运动是有限的,从而导致本质上是非线性问题。第二个显著特征是许多多体公式复杂性的主要原因。每个挠曲多体系统的组件都是受约束的动力学系统,因为机械关节对其施加了限制。
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本书的前三个部分介绍了不受约束的动力学系统(即,用于描述系统所使用的广义坐标数等于自由度数的系统)的基础知识。相比之下,第四部分侧重于受约束的动力学系统。第九章介绍了拉格朗日乘子技术以及全纯约束和非全纯约束之间的区别。展示了将虚拟功原理与拉格朗日乘子技术相结合,可以为分析受约束的静态问题提供一种强大的工具。
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第十章回顾了受约束的动力学系统的经典公式。更新了达朗贝尔原理、哈密顿原理和拉格朗日公式,以适应全纯约束和非全纯约束的存在。描述了与下对偶关节相关的运动学约束。
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第十一章中介绍的高级公式构成了数值求解多体系统实用方法的理论基础。介绍了马吉公式、一阶公式、零空间和乌德瓦迪亚和卡拉巴公式,本章以几何解释约束和高斯原理作为结尾。
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最后,第十二章以简要的方式描述了许多用于处理受约束的动力学系统的数值方法,这些方法大多源于第十一章中介绍的公式。第十二章实际上是对受约束动力学方法应用于多体系统解决方案的文献的综合回顾。显然,不可能详细介绍每种方法。相反,给出了每种方法的关键特征,并强调了它们之间的关系。本章以对第一类拉格朗日方程的缩放方法进行详细描述作为结尾。
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**第五部分提供了许多用于参数化旋转和运动的方法的综合概述**。特别强调向量参数化旋转和运动,因为它们为这个复杂主题提供了一种统一的方法。回顾了在多体公式中广泛使用的特定参数化,而其他参数化则以更简要的方式呈现。
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**本书的最后一部分侧重于挠曲多体动力学问题**,这些问题被分为三组:刚体多体系统、线性弹性多体系统和非线性弹性多体系统。本书的最后三个章节侧重于最后一类,即非线性弹性多体系统。第十五章介绍了背景知识。首先介绍了线性弹动力学的基本方程。接下来,研究有限位移运动学,特别关注小应变问题。
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**第十六章发展了挠曲关节、电缆、梁和板壳的控制方程。所有公式都是几何精确的,即允许所有结构组件发生任意大位移和旋转,尽管假设应变保持小**。最后,第十七章介绍了这些元素在有限元公式框架内的实现细节。例如,旋转场的插值是一个需要特别关注的问题。
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本书的前三个部分介绍的材料构成了为高级动力学(通常由一年级研究生学习)的三学期制研究生课程的基础。从最后三个部分选择的主题可以为后续的三学期制研究生课程挠曲多体动力学提供充足的材料。高级动力学课程当然是挠曲多体动力学课程的先决条件。
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通常,工程学生在获得实际示例后更容易理解概念,然后才能得出更广泛的概括。因此,通常首先通过简单的示例介绍概念;在学生对概念的意义有更好的理解后,再呈现更正式和抽象的陈述。
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本书中包含了大量的作业。有些是应用基本概念的简单练习,有些是需要使用计算机和数学软件的小项目,还有一些涉及更适合测验和考试的概念性问题。本书还提供了许多处理实际问题的详细示例。在后续章节中重新审视了一些示例,以说明替代或更通用的解决方案方法。
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在动力学中,符号是一个具有挑战性的问题。考虑到拉丁字母和希腊字母的局限性,有时会使用相同的符号来表示不同的量,但主要是在不同的上下文中使用的。因此,没有试图提供全面的命名法,因为这会导致更大的混淆。
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通常使用粗体字体表示向量和张量,但这很难在手写时重现,无论是写在板上还是在个人笔记中。这里采用了更适合手写笔记的符号。向量和数组用下划线表示,例如 $\underline{{\boldsymbol{u}}}$ 或 $\underline{{F}}$ 。经常使用单位向量,并使用单个上划线分配特殊符号,例如 $\bar{\imath}_{1}$,表示第一笛卡尔坐标轴。上划线符号还表示非标量数量,即 $\bar{k}$ 是一个非标量刚度系数。这不一致,但由于这两个用法在非常不同的上下文中,因此不应导致混淆。二阶张量和矩阵用双下划线表示,即 $\underline{{\underline{{R}}}}$ 表示 $3\!\times\!3$ 旋转张量或 $\underline{{\underline{{M}}}}$ 表示 $n\times n$ 质量矩阵。
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符号 $a^{T}b,\widetilde{a}b.$ , 和 $\boldsymbol{\underline{{a}}}\,\boldsymbol{\underline{{b}}}^{T}$ 分别表示两个向量 $\underline{a}$ 和 $\underline{b}$ 的标量、向量和张量积。虽然许多学生对偏离经典“点”和“叉积”符号的这种助记约定表示不满,但他们很快就能认识并欣赏其力量和简洁性。
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最后,我感谢在过去十年中为我提供了有益和建设性反馈的许多佐治亚理工学院的学生,这些反馈意见是我开发了作为本书前身的课程笔记的。他们许多问题和困惑的建设性利用有助于塑造本书,并且许多主题的处理在找到最终形式之前经过了多次修改。
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