計算多體系統(tǒng)動力學(xué)

前言

　　多體系統(tǒng)動力學(xué)作為一般力學(xué)的一個分支學(xué)科已經(jīng)歷了30年發(fā)展歷程。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的沖擊下，傳統(tǒng)的以經(jīng)典力學(xué)為依托的分析方法已不能應(yīng)付由大量作大幅運動部件組成的復(fù)雜工程對象的動力學(xué)問題。而飛速發(fā)展的計算技術(shù)使得對復(fù)雜系統(tǒng)進行大規(guī)模數(shù)字仿真的可能性成為現(xiàn)實。于是多體系統(tǒng)動力學(xué)作為經(jīng)典力學(xué)與計算技術(shù)的完美結(jié)合應(yīng)運而生。多體系統(tǒng)動力學(xué)的早期研究對象是多剛體系統(tǒng)，這部分內(nèi)容已發(fā)展得十分完善，在拉格朗日方法和笛卡兒方法的基礎(chǔ)上均已發(fā)展了成熟的商業(yè)計算軟件。多體系統(tǒng)動力學(xué)的進一步發(fā)展是考慮系統(tǒng)內(nèi)部件的彈性變形。將研究對象由多剛體系統(tǒng)拓展為多柔體系統(tǒng)，盡管在理論建模方面并不特別困難，但在數(shù)值計算方面，由于慢變大幅變量與快變微幅變量的耦合而導(dǎo)致嚴重的病態(tài)問題。因此，柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的發(fā)展必然與計算方法和軟件工程緊密聯(lián)系，而逐漸形成為計算力學(xué)的一個組成部分，即計算多體系統(tǒng)動力學(xué)。這是一門不斷發(fā)展的具有旺盛生命力的新學(xué)科分支?！　『榧握窠淌谕瓿傻摹队嬎愣囿w系統(tǒng)動力學(xué)》是一本全面敘述多體系統(tǒng)動力學(xué)學(xué)科內(nèi)容的學(xué)術(shù)著作。在對多剛體系統(tǒng)動力學(xué)與柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)研究方法的敘述過程中，本書的最大特點是將理論推導(dǎo)、計算方法與軟件實現(xiàn)三部分內(nèi)容相互貫通，而且收進了作者及其領(lǐng)導(dǎo)的上海交通大學(xué)多體系統(tǒng)動力學(xué)研究集體多年來在該領(lǐng)域內(nèi)的研究成果。無論在深度和廣度上本書都遠遠超過了10年前我們共同編著的《多剛體系統(tǒng)動力學(xué)》。在本書出版之際，我以欣喜的心情表示祝賀，并衷心希望本書的出版能促進多體系統(tǒng)動力學(xué)學(xué)科的繁榮，并在授予2l世紀未來工程師們以解決復(fù)雜機械系統(tǒng)動力學(xué)的知識和能力方面作出應(yīng)有的貢獻。

內(nèi)容概要

　　《計算多體系統(tǒng)動力學(xué)》為教育部研究生工作辦公室推薦的研究生教學(xué)用書。多體系統(tǒng)是指有大范圍相對運動的多個物體構(gòu)成的系統(tǒng)，它是航空航天器、機器人、車輛、兵器與機構(gòu)等復(fù)雜機械系統(tǒng)的力學(xué)模型。《計算多體系統(tǒng)動力學(xué)》篩選了國內(nèi)外在計算多體系統(tǒng)動力學(xué)方面的成熟成果，收錄了著者及其研究群體17年來在該領(lǐng)域的主要研究成果，按照著者的觀點進行分類，較全面覆蓋了多剛體系統(tǒng)動力學(xué)與柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法。在敘述上力求理論推導(dǎo)、計算方法與軟件實現(xiàn)三方面相互貫通。全書分為四篇。第一篇介紹《計算多體系統(tǒng)動力學(xué)》所需的數(shù)學(xué)、剛體運動學(xué)、剛體動力學(xué)與數(shù)值方法等基礎(chǔ)知識。第二篇介紹多體系統(tǒng)拓撲構(gòu)型的描述、基于拉格朗日坐標的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立、數(shù)值處理方法與軟件實現(xiàn)要點。第三篇介紹多剛體系統(tǒng)笛卡兒坐標的描述方法、系統(tǒng)運動學(xué)約束方程組集與分析方法、帶拉格朗日乘子動力學(xué)方程的推導(dǎo)、動力學(xué)分析的計算方法與軟件實現(xiàn)要點。第四篇為剛一柔混合多體系統(tǒng)動力學(xué)，介紹變形體的有限元與模態(tài)離散方法、基于笛卡兒與拉格朗日坐標的系統(tǒng)各物體運動學(xué)正向遞推關(guān)系、基于拉格朗日坐標與模態(tài)坐標的系統(tǒng)動力學(xué)方程組集、開閉環(huán)柔性多體系統(tǒng)的計算方法與軟件實現(xiàn)要點。《計算多體系統(tǒng)動力學(xué)》是一本學(xué)術(shù)著作，可作為高等工科院校的力學(xué)、機械、航空航天、機器人、車輛與兵器等專業(yè)的研究生教材，也可供上述專業(yè)的大學(xué)本科高年級學(xué)生、教師及有關(guān)研究人員和工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

　　洪嘉振，1944年生。1966年畢業(yè)于清華大學(xué)工程力學(xué)與數(shù)學(xué)系六年本科。1978年攻讀上海交通大學(xué)精密儀器系陀螺力學(xué)碩士研究生，1982年獲工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)任上海交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、建筑工程與力學(xué)學(xué)院副院長、工程力學(xué)系系主任。兼任教育部工科力學(xué)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會　　委員、國家自然科學(xué)基金委數(shù)理學(xué)部評議組成員、中國力學(xué)學(xué)會一般力學(xué)專業(yè)委員會副主任、上海力學(xué)學(xué)會一般力學(xué)專業(yè)委員會主任等職。研究領(lǐng)域為多體系統(tǒng)動力學(xué)、航天器姿態(tài)動力學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)和控制的計算機輔助分析與優(yōu)化。根據(jù)他在多體系統(tǒng)動力學(xué)的教育與科研方面的貢　　獻，1992年獲國務(wù)院與教育部授予的“全國做出突出貢獻的中國碩士學(xué)位獲得者”稱號。主編過《多體系統(tǒng)動力學(xué)——理論、計算方法與應(yīng)用》和《多體系統(tǒng)動力學(xué)與控制》論文集。合著的《分析動力學(xué)》獲教育部優(yōu)秀教材一等獎、《多剛體系統(tǒng)動力學(xué)》獲教育部優(yōu)秀教材二等獎。

書籍目錄

引論0．1 計算多體系統(tǒng)動力學(xué)的任務(wù)0．2 機械系統(tǒng)的多體系統(tǒng)力學(xué)模型0．3 計算多體系統(tǒng)動力學(xué)的進展0．4 本書的安排第一篇 基礎(chǔ)篇第1章 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1．1 矩陣1．2 矢量1．3 并矢二階張量1．4 方向余弦陣1．5 歐拉四元素第2章 剛體運動學(xué)基礎(chǔ)2．1 連體基2．2 剛體的有限運動2．3 剛體的姿態(tài)坐標姿態(tài)分析逆問題及其算法2．4 剛體的角速度與角加速度2．5 剛體的角速度與姿態(tài)坐標導(dǎo)數(shù)的關(guān)系運動學(xué)方程2．6 點的位置、速度與加速度第3章 剛體動力學(xué)基礎(chǔ)3．1 動量、動量矩和動能3．2 剛體的質(zhì)量幾何3．3 牛頓-歐拉動力學(xué)方程3．4 動力學(xué)普遍方程3．5 帶拉格朗日乘子動力學(xué)方程第4章 數(shù)值方法4．1 線性代數(shù)方程組求解和矩陣分解4．2 解非線性代數(shù)方程的牛頓-拉斐遜方法4．3 常微分方程組的數(shù)值方法第二篇 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)拉格朗日數(shù)學(xué)模型及方法第5章 多體系統(tǒng)拓撲構(gòu)型的數(shù)學(xué)模型5．1 樹系統(tǒng)5．2 非樹系統(tǒng)第6章 多剛體樹系統(tǒng)拉格朗日運動學(xué)6．1 鉸的相對運動學(xué)6．2 鄰接剛體相對運動學(xué)6．3 系統(tǒng)各剛體的姿態(tài)、角速度和角加速度6．4 轉(zhuǎn)動鉸系統(tǒng)各剛體質(zhì)心的位置、速度和加速度6．5 帶滑移鉸系統(tǒng)各剛體質(zhì)心的位置、速度和加速度第7章 多剛體系統(tǒng)拉格朗日動力學(xué)7．1 力元7．2 有根樹系統(tǒng)7．3 無根樹系統(tǒng)7．4 非樹系統(tǒng)第8章 動力學(xué)仿真直接數(shù)值方法與程序設(shè)計8．1 仿真計算軟件的組織8．2 數(shù)據(jù)輸入模塊8．3 數(shù)據(jù)前處理模塊8．4 數(shù)值積分模塊8．5 動力學(xué)正逆混合問題的解決第三篇 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)笛卡爾數(shù)學(xué)模型及算法第9章多剛體系統(tǒng)笛卡爾運動學(xué)9．1 約束方程9．2 運動學(xué)分析基礎(chǔ)9．3 平面運動多剛體系統(tǒng)9．4 空間運動多剛體系統(tǒng)9．5 運動學(xué)數(shù)值分析方法與軟件的組織第10章 多剛體系統(tǒng)笛卡爾動力學(xué)10．1 空間運動多剛體系統(tǒng)動力學(xué)10．2 平面運動多剛體系統(tǒng)動力學(xué)10．3 動力學(xué)逆問題與約束反力10．4 動力學(xué)仿真的數(shù)值分析方法10．5 多剛體系統(tǒng)靜平衡分析的計算方法10．6 動力學(xué)仿真軟件的組織第四篇 剛-柔混合多體系統(tǒng)動力學(xué)單向遞推組集數(shù)學(xué)模型及算法第11章 單柔性體動力學(xué)方程11．1 運動學(xué)關(guān)系11．2 動力學(xué)方程第12章 鄰接物體的運動學(xué)遞推關(guān)系12．1 坐標系12．2 鉸點單元運動學(xué)12．3 鉸運動學(xué)12．4 運動學(xué)遞推關(guān)系第13章 系統(tǒng)動力學(xué)方程13．1 力元13．2 樹系統(tǒng)動力學(xué)方程的遞推組集13．3 樹系統(tǒng)動力學(xué)方程13．4 鉸約束反力13．5 柔性多體系統(tǒng)的能量第14章 動力學(xué)仿真計算方法與軟件實現(xiàn)14．1 動力學(xué)正-逆混合問題的計算方法14．2 切斷鉸的選取14．3 動力學(xué)仿真的計算方法14．4 動力學(xué)仿真軟件系統(tǒng)CADAMB的實現(xiàn)14．5 算例參考文獻名詞索引外國人名譯名對照表作者簡介

章節(jié)摘錄

　　隨著國民經(jīng)濟與國防技術(shù)的發(fā)展，機械系統(tǒng)的構(gòu)型越來越復(fù)雜，表現(xiàn)為這些系統(tǒng)在構(gòu)型上向多回路與帶控制系統(tǒng)方向發(fā)展。如航天器正由單個主體加若干鞭狀天線的衛(wèi)星走向由龐大的多個部件在軌拼裝或展開的空間站。這些系統(tǒng)或攜帶有巨型的操作機械臂，或者裝有大面積的作步進運動的太陽電池陣與天線陣。高速車輛對操縱系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的構(gòu)型提出更高的要求，有的已采用自動控制環(huán)節(jié)。機器人與操作機械臂在工業(yè)與生活中將普遍采用，要求高速與準確的操作以及能在惡劣環(huán)境下工作，這些對系統(tǒng)構(gòu)型也提出新的要求。不僅如此，機械系統(tǒng)的大型化與高速運行的工況使機械系統(tǒng)的動力學(xué)性態(tài)變得愈來愈復(fù)雜。如大型的高速機械系統(tǒng)各部件的大范圍運動與構(gòu)件本身振動的耦合，振動非線性性態(tài)的表現(xiàn)，沖擊、粘一滑、錘擊等現(xiàn)象的出現(xiàn)。這些動力學(xué)性態(tài)有些是有利的，有些則必須加以控制與消除。因此，復(fù)雜機械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)與靜力學(xué)的性態(tài)分析、設(shè)計與優(yōu)化已向力學(xué)工作者提出了新的挑戰(zhàn)。

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