Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 4. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Σχετικά έγγραφα
Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 3. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 5. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Διακριτή Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Κινηματική και Δυναμική

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 12. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Μοντελοποίηση Mηχανικών Συστημάτων Ι: Μηχανικά Συστήματα σε Μεταφορική Κίνηση

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΜΗΧΑΝΩΝ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 13. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 7. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΚΑΤΑΣΤΡΩΣΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 55

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

υναµ α ι µ κή τ ων Ρ οµ ο π µ ο π τ ο ικών Βραχιόνων

ΑΣΚΗΣΗ 19. έκδοση DΥΝI-EXC a

p& i m p mi i m Με τη ίδια λογική όπως αυτή που αναπτύχθηκε προηγουµένως καταλήγουµε στην έκφραση της κινητικής ενέργειας του ρότορα i,

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 21. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 22. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών. σε Συστήματα Συνήθων Διαφορικών Εξισώσεων με Σταθερούς Συντελεστές

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 8. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

3. ΥΝΑΜΙΚΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΒΡΑΧΙΟΝΩΝ

Κίνηση στερεών σωμάτων - περιστροφική

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 19.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Δυναμική Μηχανών I. Εισαγωγική Ανάλυση και Γραμμικοποίηση. Μη-Γραμμικών Δυναμικών Εξισώσεων

Μοντελοποίηση Μηχανικών - Ηλεκτρικών - Υδραυλικών Θερμικών Συστημάτων

Δυναμική Μηχανών I. Προσέγγιση Galerkin

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 1. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3/2/2016 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Αριθμητικές μέθοδοι σε ταλαντώσεις μηχανολογικών συστημάτων

Δυναμική Μηχανών I. Σύνοψη Εξεταστέας Ύλης

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

9. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. Εξετάζουµε διάφορα µοντέλα ελέγχου αλληλεπίδρασης του βραχίονα µε το περιβάλλον.

ΠΕΙΡΑΜΑ 8. Μελέτη Ροπής Αδρανείας Στερεών Σωµάτων

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 10. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Έλεγχος Αλληλεπίδρασης με το. Έλεγχος «Συμμόρφωσης» ή «Υποχωρητικότητας» (Compliance Control)

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Η ενέργεια ταλάντωσης ενός κυλιόμενου κυλίνδρου

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ ΙΟΥΝΙΟΣ 2013 ΕΠΩΝΥΜΟ: ΟΝΟΜΑ: ΑΕΜ: (ΠΤΥΧΙΟ)

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 22.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

website:

Δυναμική Μηχανών I. Μοντελοποίηση Ηλεκτρικών και Υδραυλικών Συστημάτων

Ένα εκκρεμές σε επιταχυνόμενο αμαξίδιο

Δυναμική Μηχανών I. Δυναμικά Μοντέλα Συνεχούς Μέσου

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 13.

E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών σε Συνήθεις. Διαφορικές Εξισώσεις με Σταθερούς Συντελεστές

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 20. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΗΜ: 1/7/14 ΣΤΕΦ - ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ Α ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ -ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΦΥΣΙΚΗ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ.

2 Η ΠΡΟΟΔΟΣ. Ενδεικτικές λύσεις κάποιων προβλημάτων. Τα νούμερα στις ασκήσεις είναι ΤΥΧΑΙΑ και ΟΧΙ αυτά της εξέταση

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΜΕΣΟΥ

ΑΣΚΗΣΗ 7. έκδοση DΥΝI-EXC b

ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

Κεφάλαιο 10 Περιστροφική Κίνηση. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

( ) { } ( ) ( ( ) 2. ( )! r! e j ( ) Κίνηση στερεών σωμάτων. ω 2 2 ra. ω j. ω i. ω = ! ω! r a. 1 2 m a T = T = 1 2 i, j. I ij. r j. d 3! rρ. r! e!

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΕΛΕΥΘΕΡΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 73

L 1 L 2 L 3. y 1. Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε. / ΤΜΗΜΑ ΕΚΠΑΙΔΕΤΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΥΠΟΔΟΜΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ 2012 ΜΑΘΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗ Ι Καθηγητής Σιδερής Ε.

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

ΠΡΟΩΘΗΣΗ ΠΥΡΑΥΛΩΝ. Η προώθηση των πυραύλων στηρίζεται στην αρχή διατήρησης της ορμής.

Γενικευμένα Mονοβάθμια Συστήματα

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΑΣΚΗΣΗ 5.1 Το διάνυσμα θέσης ενός σώματος μάζας m=0,5kgr δίνεται από τη σχέση: 3 j οπότε το μέτρο της ταχύτητας θα είναι:

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Χειμερινό Εξάμηνο 2016/2017 ΦΥΣ102 Φυσική για Χημικούς Διδάσκων: Μάριος Κώστα. ΔΙΑΛΕΞΗ 09 Ροπή Αδρανείας Στροφορμή

Δυναμική Μηχανών Ι. Διδάσκων: Αντωνιάδης Ιωάννης. Απόκριση Συστημάτων 1 ου Βαθμού Ελευθερίας, που περιγράφονται από Σ.Δ.Ε.

Μηχανική Στερεού Ασκήσεις Εμπέδωσης

Δυναμική Μηχανών I. Απόκριση Γραμμικών Συστημάτων στο. Πεδίο της Συχνότητας

ΕΜΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ. Σοφία Α. Ξεργιά PT, MSc, PhD

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

Ομαλή Κυκλική Κίνηση 1. Γίνεται με σταθερή ακτίνα (Το διάνυσμα θέσης έχει σταθερό μέτρο και περιστρέφεται γύρω από σταθερό σημείο.

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Μαθηματικά

Γενικευμένες συντεταγμένες

Δυναμική Μηχανών I. Αριθμητική Επίλυση Δυναμικών Συστημάτων στο Περιβάλλον MATLAB και Simulink

ΨΗΦΙΑΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΒΟΗΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ» 5 o ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2017: ΘΕΜΑΤΑ

Δυναμική Μηχανών I. H Μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων

ΦΥΣΙΚΗ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ. Α5. α. Λάθος β. Λάθος γ. Σωστό δ. Λάθος ε. Σωστό

Δυναμική Μηχανών I. Χρονική Απόκριση Συστημάτων 2 ης Τάξης

Πολυβάθμια Συστήματα

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 7.

Μηχανική του στερεού σώματος

Εισαγωγή στη Δυναμική Μηχανών

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΟΛΛΩΝ ΒΑΘΜΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ

Τα σώματα τα έχουμε αντιμετωπίσει μέχρι τώρα σαν υλικά σημεία. Το υλικό σημείο δεν έχει διαστάσεις. Έχει μόνο μάζα.

Και τα στερεά συγκρούονται

1. Για το σύστηµα που παριστάνεται στο σχήµα θεωρώντας ότι τα νήµατα είναι αβαρή και µη εκτατά, τις τροχαλίες αµελητέας µάζας και. = (x σε μέτρα).

υναµική Μηχανών Ι Ακαδηµαϊκό έτος : Ε. Μ. Π. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Εργαστήριο υναµικής και Κατασκευών ΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι - 15.

ΦΥΕ 14 5η ΕΡΓΑΣΙΑ Παράδοση ( Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες) Άσκηση 1 : Aσκηση 2 :

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

α. Μόνο η ορμή του συστήματος των σωμάτων. β. Η ορμή και η κινητική ενέργεια του κάθε σώματος.

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 9. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΗΜ/ΝΑ 22/6/2009. ΛΥΣΗ Έχουμε την θέση ως συνάρτηση του χρόνου. Θα πρέπει να βρούμε την ταχύτητα για να 1 2

Περιστροφική Κινηματική

ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ - ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΕΣ 2016 ΛΥΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΩΝ. ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ : Φ. ΧΑΛΑΝΤΖΟΥΚΑ ΦΥΣΙΚΟΣ M.Sc.

Transcript:

Δυναμική Μηχανών I Διάλεξη 4 Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Περιεχόμενα: Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Ν Βαθμών Ελευθερίας Μηχανικά δυναμικά συστήματα πολλών Β.Ε. Μοντελοποίηση μέσω διακριτών στοιχείων Κατάστρωση δυναμικών εξισώσεων μέσω της μεθόδου Lagrange Ιακωβιανοί πίνακες Μητρώα μάζας, ελαστικότητας, απόσβεσης Κατάστρωση δυναμικών εξισώσεων Παραδείγματα

Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας 1. Μοντελοποίηση Αναγνώριση διακριτών στοιχείων Επιλογή βαθμών ελευθερίας 2. Υπολογισμός κινηματικών παραμέτρων Θέσεις & διευθύνσεις Γραμμικές και γωνιακές ταχύτητες 3. Κατάστρωση δυναμικών εξισώσεων

I) Μοντελοποίηση

Μοντελοποίηση Συστημάτων με Πολλούς Β.Ε. Το ίδιο σύστημα μπορεί να περιγραφεί με πολλά μοντέλα Συνήθως επιλέγεται το πιο απλό μοντέλο που μπορεί να περιέχει/περιγράψει την αναγκαία πληροφορία Ν=1 Ν=2 Ν=4

Μοντελοποίηση 1. Αναγνώριση διακριτών στοιχείων Αδράνεια, δυσκαμψία, απόσβεση, εξωτερικές δυνάμεις 2. Επιλογή βαθμών ελευθερίας q Περιγράφουν πλήρως την κινηματική του συστήματος Στρατηγική επιλογή Αναγνώριση και απαληφή περιορισμών

II) Κινηματική

Κινηματική 1. Υπολογισμός συντεταγμένων θέσεων ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των Β.Ε. q Σημειακή μάζα Θέση r (q) Στερεό σώμα (2D κίνηση) Κέντρο βάρους r G (q), Διεύθυνση θ q Ελατήρια/αποσβεστήρες Σχετική θέση δr (q) των δύο ακροδεκτών κάθε στοιχείου Εξωτερικές δυνάμεις/ροπές Θέση r F (q) όπου ασκείται η εξωτερική δύναμη F Διεύθυνση θ T q του σώματος όπου ασκείται η ροπή T

Κινηματική 2. Υπολογισμός των γραμμικών/γωνιακών ταχυτήτων θέσεων ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των q και q Η ταχύτητα u (q, q ) της θέσης r (q) μπορεί να γραφεί μέσω ενός Ιακωβιανoύ πινάκων J (q): u = dr (q) dt = J (q) q όπου J q = dr (q) dq Ιακωβιανός πίνακας της θέσης r (q) ως προς τους Β.Ε. q

Κινηματική 2. Ιακωβιανοί πίνακες ενδιαφέροντος Ταχύτητα θέσης : u = dr dt = J (q) q Γωνιακή ταχύτητα στερεού σώματος σε 3 διαστάσεις: Γωνιακή ταχύτητα ω δεν είναι παράγωγος κάποιας γωνίας! ω = J ω (q) q Γωνιακή ταχύτητα στερεού σώματος σε 2 διαστάσεις: ω = θ = J θ (q) q

Σχετική θέση ακροδεκτών ελατηρίου/αποσβεστήρα Έστω «1» και «2» οι ακροδέκτες ενός ελατηρίου/αποσβεστήρα Η σχετική θέση των ακροδεκτών μπορεί να επιλεγεί με δύο τρόπους Επιλογή επιρεάζει την φορά των αντίστοιχων δυνάμεων m 1 u 1 c m 2 u 2 Επιλογή 1 Επιλογή 2 δr c = x 1 x 2 f c = c u 1 u 2 = c x 1 x 2 δr c = x 2 x 1 f c = c u 2 u 1 = c x 2 x 1 m 1 f c f c f c f c f c f m m c 1 1 2 2 1 2 c c f c f c m 2

III) Μέθοδος Lagrange

Μέθοδος Lagrange (κλασσική) Η δυναμική εξίσωση για τον j-οστό Β.Ε. προκύπτει ως: d dt T q, q q j T q, q q j + V q q j = ξ j, j = 1,2,, N T(q, q ) V q Κινητική ενέργεια συστήματος Δυναμική ενέργεια συστήματος γενικευμένη δύναμη Β.Ε. j N Force ξ j = ( r F ) T F q j =1 N Torque + ( ω ) T Τ q j =1 j-ιοστή στήλη του Ιακωβιανού J F (q) της θέσης r F (q) όπου ασκείται η δύναμη F ως προς τους Β.Ε. q j-ιοστή στήλη του Ιακωβιανού πίνακα J ω (q) της γωνιακής ταχύτητας του σώματος που ασκείται η ροπή Τ

Μέθοδος Lagrange: Μεθοδολογία d dt T q, q q j T q, q q j + V q q j = ξ j, j = 1,2,, N 1. Υπολογισμός κινητικής ενεργείας T q, q, δυναμικής ενέργειας V q, και Ιακωβιανών J (q) για τις εξωτερικές δυνάμεις Με βάση τη κινητική/κινηματική του συστήματος 2. Για κάθε βαθμό ελευθερίας q j : 1. Πρώτος όρος: παραγώγηση T q, q ως προς q j. Παραγώγηση αποτελέσματος ως προς χρόνο t. 2. Δεύτερος όρος: παραγώγηση T q, q ως προς q j. 3. Τρίτος όρος: παραγώγηση V q ως προς q j. 4. Τέταρτος όρος: άθροισμα εσωτερικών γινόμένων των j-ιοστών στήλων των Ιακωβιανών J F (q) με τις F και των j-ιοστών στήλων των ιακωβιανών J ω (q) με τις Τ.

Μέθοδος Lagrange (Μητρωϊκή) Αντί παραγώγισης ως προς κάθε Β.Ε. q j ξεχωριστά, παραγώγιση ως προς το διάνυσμα q των Β.Ε. d dt T q T q + V q = ξ d dt d dt T q 1 T q Ν T q 1 T q Ν V q 1 V q Ν ξ 1 ξ N Δυνάμεις αδράνειας Μη γραμμικές δυνάμεις Δυνάμεις ελαστικότητας Δυνάμεις βαρύτητας Δυνάμεις απόσβεσης Εξωτερικές δυνάμεις/ροπές

Κινητική Ενέργεια Η κινητική ενέργεια Τ q, q ενός συστήματος ισούται με το άθροισμα των κινητικών ενεργειών Τ q, q όλων των στοιχείων αδράνειας Τ q, q = Τ(q, q ) Κινητική ενέργεια -ιοστού στοιχείου αδράνειας (3D): Τ = 1 2 m T u G ug + ω T I ω = = 1 2 q T m T J G JG T + J ω I J ω q Σε 2D κίνηση: Μ q Τ = 1 2 q T m T J G JG + I T J θ Jθ q

Μητρώο Μάζας Η κινητική ενέργεια μπορεί να γραφτεί ως Τ q, q = 1 2 q T Μ(q) q ο συμμετρικός θετικά ορισμένος Ν Ν πίνακας Μ(q) είναι το μητρώο μάζας και υπολογίζεται αναλυτικά ως: Τ q, q = Τ = 1 2 q T { m T J G JG T + J T I J T } Μητρώο μάζας Μ(q) ενός συστήματος = άθροισμα μητρώων μάζας M(q) κάθε στοιχείου αδράνειας q Μ q Μ q = M(q) M(q) = m T J G JG T + J T I J T

Δυναμική Ενέργεια Η Δυναμική ενέργεια V q ενός συστήματος ισούται με το άθροισμα των δυναμικών ενεργειών V q όλων των στοιχείων ελαστικότητας/δυσκαμψίας V q = V lnear q +V gravty q Δυναμική ενέργεια λόγω γραμμικών ελατηρίων V lnear q = { Vlnear(q)} Δυναμική ενέργεια λόγω βαρύτητας V gravty q = { Vgravty(q)} V lnear (q) = 1 2 ( k T δr k δr k ) Vgravty (q) = m g z (q)

Μητρώο Ελαστικότητας Η δυναμική ενέργεια V lnear (q) λόγω γραμμικών ελατηρίων συνήθως μπορεί να γραφεί ως: ο συμμετρικός θετικά ημιορισμένος Ν Ν πίνακας K είναι το μητρώο ελαστικότητας και υπολογίζεται ως εξής: V lnear q = Vlnear V lnear q = 1 2 qt K q = 1 2 k T δr k δr k = 1 2 qt k T J δr J δr Μητρώο Κ ενός συστήματος = άθροισμα μητρώων ελαστικότητας Κ γραμμικών στοιχείων ελαστικότητας Κ q K = K K = k T J δr J δr

Γενικευμένες Δυνάμεις Βαρύτητας Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας λόγω δυναμικής ενέργειας βαρύτητας V gravty (q): ξ gravty = V gravty q q Ισούται με άθροισμα γενικευμένων δυνάμεων σε κάθε στοιχείου μάζας ξ gravty = ξ gravty = m Vgravty q g z q q q = m = ξgravty T g J z Ιακωβιανός πίνακας της z συντεταγμένης του Κ.Β. της μάζας ως προς τους Β.Ε. q

Γενικευμένες δυνάμεις εξωτερικών δυνάμεων Γενικευμένες δυνάμεις εξωτερικών δυνάμεων/ροπών: N Force ξ = J F T F =1 N Torque + J ω, T Τ =1 Ιακωβιανός πίνακας της θέσης r F όπου ασκείται η δύναμη F Ιακωβιανός πίνακας της γωνιακής ταχύτητας του σώματος όπου ασκείται η ροπή Τ Στην ειδική περίπτωση εξωτερικών δυνάμεων που αντιστοιχούν σε γραμμικά στοιχεία αποσβεσης, οι αντίστοιχες γενικευμένες δυνάμεις υπολογίζονται μέσω του μητρώου απόσβωσης

Δυνάμεις Απόσβεσης Δύναμη σε γραμμικό αποσβεστήρα u 1 u 2 u 1 u 2 m 1 m 2 m 1 f c f c m 2 c f c = c u 1 u 2 = c δrc = c c J δr (q) q Αντίστοιχες γενικευμένες δυνάμεις ξ c = J T 1 ( f c ) + J T 2 f c = (J T 1 J T c 2 ) c J δr (q) q ξ c = c J δr (q) T c c J δr (q) q

Μητρώο Απόσβεσης Γενικευμένες δυνάμεις λόγω γραμμικών αποσβεστήρων: ξ damp q, q = ξ c όπου ο συμμετρικός Ν Ν πίνακας C(q) είναι το μητρώο απόσβεσης Ν damp C q = C(q) =1 Ν damp =1 Ν damp = { J δr =1 = C(q) q T c J δr } Το μητρώο απόσβεσης C ενός συστήματος = άθροισμα μητρώων απόσβεσης C κάθε γραμμικού στοιχείου απόσβεσης

Μέθοδος Lagrange (Μητρωϊκή Μορφή) d dt T q T q + V q = ξ d dt T q = d dt Μ q q = Μ q q + d dt Μ q q T q = 1 (q T Μ(q) q ) 2 q V q q = V lnear q q + V gravty q q = K q ξ gravty N Force ξ = C q + J T F =1 N Torque + J T, T Τ =1

Μη Γραμμικές Δυνάμεις Πρώτος και ο δεύτερος όρος συνεισφέρουν μη γραμμικές αδρανειακές δυνάμεις (φυγοκεντικές, Corols) ξ nonln q, q dμ q = dt q + 1 2 (q T Μ(q) q ) q όπου 1 (q T Μ(q) q ) 2 dμ q dt q q = ( N J=1 { M q q j }) q j = 1 2 q T Μ q 1 q 1 2 q T Μ q N q T Μ q j = Μ 11 q Μ 1N q q j q j Μ N1 q Μ NN q q j q j

Μέθοδος Lagrange (Μητρωϊκή Μορφή) Συνολικά (Ν βαθμοί ελευθερίας) N Force Μ q q + C q q + K q = ξ grav + ξ nonln + J T F =1 N Torque + J T, T Τ =1 Δυνάμεις αδράνειας Δυνάμεις απόσβεσης Δυνάμεις ελαστικότητας Δυνάμεις βαρύτητας Μη γραμμικές δυνάμεις Εξωτερικές δυνάμεις Εξωτερικές ροπές Στην περίπτωση συστήματος 1 Β.Ε. η αντίστοιχη δυναμική εξίσωση είναι: m x + c x + k x = mg + f t

Παράδειγμα 1: Ταλαντώσεις στο φορτίο γερανογέφυρας λόγω της κίνησης της γερανογέφυρας

Παράδειγμα 1: Μοντελοποίηση Πλάγια όψη x F(t) g Μ c c T θ L m q = x θ

Παράδειγμα 1: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος M = x 0 Τ r G m r G = Θέση x + Κ.Β. L sμάζας θ L m c Τ θ c T L m = x + L s θ L c θ Τ z G δr c = x δθ ct = 2 θ cτ 1 θ cτ = θ r F = x Θέση Κ.Β. μάζας Μ z συντεταγμένη θέσης Κ.Β. μάζας m Σχετική θέση ακροδεκτών c Σχετική γωνία ακροδεκτών c Τ 0 Τ Θέση όπου ασκείται η δύναμη F Z x F(t) g c Μ θ m X q = x θ

Παράδειγμα 1: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των βαθμών ελευθερίας M r G = x 0 Τ m r G = x + L s θ L c Τ θ m z G = L c θ δr c = x δθ ct = 2 θ cτ 1 θ cτ = θ Z x F(t) c c T Μ θ g X L m q = x θ r F = x 0 Τ s θ sn (θ) c θ cos (θ)

Παράδειγμα 1: Κινηματική Υπολογισμός Ιακωβιανών πινάκων για τις θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος M J G = 1 0 0 0 Z x F(t) Μ g m J G = 1 L c θ 0 L s θ m J z = 0 L s θ c c T θ L m X c J δr = 1 0 ct = 0 1 J δθ J F = 1 0 0 0 q = x θ

Παράδειγμα 1: Μητρώα Αδράνειας Μητρώα αδράνειας στοιχείων MM q = Μ ΜJ T G Μ J G = M 0 0 Z x F(t) c c T Μ L X g m m M q = m J T G m J G = m 1 L c θ L 2 θ m Μητρώο αδράνειας συστήματος q = x θ M q = m M q + M M q = M + m m L c θ m L 2

Παράδειγμα 1: Μητρώα Ελαστικότητας Μητρώα ελαστικότητας στοιχείων Z x F(t) Μ g Το σύστημα δεν έχει γραμμικά στοιχεία ελαστικότητας! c c T L X Μητρώοελαστικότητας συστήματος θ m K = 0 q = x θ

Παράδειγμα 1: Δυνάμεις Βαρύτητας Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας στοιχείων μάζας Z x F(t) Μ g mξ gravty = m g mj T z = m g 0 L s θ c c T L X Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας συστήματος θ m q = x θ ξ gravty = mξ gravty = 0 m g L s θ

Παράδειγμα 1: Μητρώα Απόσβεσης Μητρώα απόσβεσης στοιχείων c C = cj T δr c c J δr = c 0 0 0 ct C = ct T J δr ct ct J δr = 0 0 0 c T Z x F(t) c c T Μ θ L m X g Μητρώο απόσβεσης συστήματος q = x θ C = c C + ct C = c 0 0 c T

Παράδειγμα 1: Εξωτερικές Δυνάμεις/Ροπές Γενικευμένες δυνάμεις λόγω εξωτερικών δυνάμεων/ροπών Z x F(t) Μ g ξ = MJ T F F = 1 0 0 0 F 0 = F 0 c c T θ L m X H F ασκείται κατά τον άξονα x q = x θ

Παράδειγμα 1: Μη γραμμικές δυνάμεις M q = M + m m L c θ m L 2 Z x F(t) Μ g c c T θ L m X dμ q ξ nonln q, q = dt = m L s θ θ 2 0 q + 1 q T Μ q q 2 q q = x θ

Παράδειγμα 1: Δυναμικές Εξισώσεις Συνολικά, οι εξισώσεις κίνησης που προκύπτουν για τους 2 Β.Ε. Είναι: Z x F(t) g Ροπή αδράνειας μάζας m σε απόσταση L M + m m L c θ x m L 2 θ = + c 0 c T x θ 0 m g L s θ + m L s θ θ 2 0 + F(t) 0 c c T Μ θ X L m q = x θ Δύναμη επαναφοράς εκκρεμούς

Παράδειγμα 2: Ταλάντωση στην κεφαλή σκληρού δίσκου

Παράδειγμα 2: Μοντελοποίηση κάτοψη T(t) I L k θ δ c T q = θ δ Η ελαστικότητα στην κεφαλή (μάζα m, μήκος L) μοντελοποιείται σαν καμπτικό ελατήριο k. Η μάζα της κεφαλής μοντελοποιείται ως δύο σημειακές μάζας m/2. Η πρώτη βρίσκεται επί τον άξονα περιστροφής και συνεισφέρει στην αδράνεια Ι επί του άξονα περιστροφής. Η δεύτερη σημειακή μάζα θεωρείται ότι βρίσκεται σε απόσταση L από τον άξονα. Η στροφική απόκριση c T είναι λόγω τριβών κατά την περιστροφή του άξονα. Η εξωτερική ροπή T(t) ασκείται από τον κινητήρα που ελέγχει την κεφαλή

Παράδειγμα 2: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος I θ = θ m r G Διεύθυνση αδράνειας Ι = L c θ δ s θ L s θ + δ c θ Θέση Κ.Β. μάζας m T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ δr k = Σχετική δ θέση ακροδεκτών k δθ ct = 2 θ cτ 1 θ cτ = θ Σχετική γωνία ακροδεκτών c Τ θ Τ = θ Διεύθυνση στερεού σώματος (αδράνειας Ι) όπου ασκείται η ροπή Τ

Παράδειγμα 2: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των βαθμών ελευθερίας Ι θ = θ m r G = L c θ δ s θ L s θ + δ c θ T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ δr k = δ 2 1 δθ ct = θ cτ θ cτ = θ θ Τ = θ s θ sn (θ) c θ cos (θ)

Παράδειγμα 2: Κινηματική Υπολογισμός Ιακωβιανών πινάκων για τις θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος I J θ = 1 0 T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ m J G = L s θ δ c θ s θ L c θ δ s θ c θ k J δr = 0 1 ct J δθ = 1 0 J T = 1 0

Παράδειγμα 2: Μητρώα Αδράνειας Μητρώα αδράνειας στοιχείων ΙM q = Ι Ι T J θ Ι Jθ = I 0 0 m M q = m mj T G m J G = m L2 + δ 2 L 1 T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ Μητρώο αδράνειας συστήματος M q = m M q + Ι M q = Ι + m (L2 + δ 2 ) m L m

Παράδειγμα 2: Μητρώα Ελαστικότητας Μητρώα ελαστικότητας στοιχείων k K = k k T J δr k J δr = 0 0 k T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ Μητρώο ελαστικότητας συστήματος K = k K = 0 0 k

Παράδειγμα 2: Δυνάμεις Βαρύτητας Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας στοιχείων μάζας Στο σύστημα η βαρύτητα δεν επιδρά στις δυναμικές εξισώσεις επειδή καμία μάζα δεν κινείται κατά τον άξονα της βαρύτητας z T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας συστήματος ξ gravty = 0

Παράδειγμα 2: Μητρώα Απόσβεσης Μητρώα απόσβεσης στοιχείων ct C = ct T J δr ct ct J δr = c T 0 0 0 T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ Μητρώο απόσβεσης συστήματος C = ct C = c T 0 0 0

Παράδειγμα 2: Εξωτερικές Δυνάμεις/Ροπές I T 1 ξ = J θ Τ = 0 Τ = Τ 0 T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ

Παράδειγμα 2: Μη γραμμικές δυνάμεις M q = Ι + m (L2 + δ 2 ) m L m T(t) Y I c T L k θ δ X q = θ δ ξ nonln q, q dμ q = dt = 2 μ δ θ δ m δ θ 2 q + 1 (q T Μ(q) q ) 2 q

Παράδειγμα 2: Δυναμικές Εξισώσεις Συνολικά, οι εξισώσεις κίνησης που προκύπτουν για τους 2 Β.Ε. Είναι: T(t) Y I c T L k δ θ X q = θ δ Ι + m (L 2 + δ 2 ) + 0 0 θ k δ m L m θ δ + c T 0 0 = 2 m δ θ δ m δ θ 2 θ δ + T(t) 0

Παράρτημα

Παράρτημα: Ιακωβιανός Πίνακας Παράγωγος ενός N 1 διανύσματος r ως προς M 1 διάνυσμα q είναι ο N M πίνακας J (Ιακωβιανός) Τα στοιχεία του r είναι συνάρτηση του q Το στοιχείο J(, j) είναι η μερική παράγωγος του -οστού στοιχείου του r ως προς το j-οστό στοιχείο του q r q = r 1 q f N q r 1 (q) q 1 r 1 (q) q M q = q 1 q M J = dr(q) dq = r N (q) q 1 r (q) q j r N (q) q M

Παράρτημα: Ιακωβιανός Πίνακας Στην δυναμική μηχανικών συστημάτων: r είναι η θέση r ενός σημείου ενδιαφέροντος και q είναι οι Β.Ε. Η αντίστοιχη ταχύτητα r μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση του q με μέσω του J (κανόνας αλυσίδας) u = r = dr (q) dt = r (q) q dq dt = J (q) q O Ιακωβιανός πίνακας J (q) περιγράφει πως η ταχύτητα r της θέσης εξαρτάται από την χρονική μεταβολή των Β.Ε. q.