Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας

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

Διακριτή Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων

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

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

Μοντελοποίηση Μηχανικών - Ηλεκτρικών - Υδραυλικών Θερμικών Συστημάτων

Προσομoίωση Απόκρισης Συστήματος στο MATLAB

Επίλυση Δυναμικών Εξισώσεων

Απόκριση σε Αρμονική Διέγερση

Γενικευμένες συντεταγμένες

Εισαγωγή στη Δυναμική Μηχανών

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ι

Φυσική Ι. Ενότητα 9: Στροφορμή. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Κινηματική και Δυναμική

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

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

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΜΗΧΑΝΩΝ

Φυσική IΙ. Ενότητα 5: Ηλεκτρικό δυναμικό στις 3 διαστάσεις. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Φυσική Ι. Ενότητα 2: Κίνηση σε επίπεδο Υλικό σημείο. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ι

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

ΑΣΚΗΣΗ 19. έκδοση DΥΝI-EXC a

3. ΥΝΑΜΙΚΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΒΡΑΧΙΟΝΩΝ

ΟΜΟΣΠΟΝΔΙΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΩΝ ΦΡΟΝΤΙΣΤΩΝ ΕΛΛΑΔΟΣ (Ο.Ε.Φ.Ε.) ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ 2019 Β ΦΑΣΗ

Φυσική Ι. Ενότητα 5: Ορμή Ώθηση. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Φυσική Ι. Ενότητα 3: Μηχανικές δυνάμεις. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ι

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

ΚΑΤΑΣΤΡΩΣΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΩΝ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 55

Φυσική Ι. Ενότητα 8 : Περιστροφική κίνηση. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

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

Φυσική Ι. Ενότητα 11: Ταλαντώσεις. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

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

Πίνακες Ορίζουσες. Πίνακας: ορθογώνια διάταξη αριθμών που αποτελείται από γραμμές και στήλες.

Πάμε Ολυμπιάδα Φυσικής!

Αριθμητικές μέθοδοι σε ταλαντώσεις μηχανολογικών συστημάτων

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

Κίνηση στερεών σωμάτων - περιστροφική

Φυσική IΙ. Ενότητα 1: Ηλεκτρικό φορτίο. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

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

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

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

Σερβοκινητήρες πρόωσης σε συστήματα CNC

Δυναμική Μηχανών I. Σύνοψη Εξεταστέας Ύλης

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019

Φυσική Ι. Ενότητα 10: Σύνθετη κίνηση. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

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,

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΕΥΦΥΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ. Ενότητα #7: Σύστημα Ασαφούς Λογικής Μαθηματικές Εκφράσεις

Φυσική IΙ. Ενότητα 2: Ηλεκτρικό πεδίο. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Φυσική Ι. Ενότητα 6: Έργο και κινητική ενέργεια. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

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

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

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

Δυναμική Ηλεκτρικών Μηχανών

Ένα εκκρεμές σε επιταχυνόμενο αμαξίδιο

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΜΕΣΟΥ

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΡΓΩΝ ΥΠΟΔΟΜΗΣ (MSc)

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Γενική Φυσική Ενότητα: Ταλαντώσεις

Φυσική IΙ. Ενότητα 8: Μαγνητισμός. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

3.6 Ευθεία και Αντίστροφη υναµική

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

Πρέσσες εκκέντρου. Κινηματική Δυνάμεις Έργο Εφαρμογές. Πρέσσες εκκέντρου. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ

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

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

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

Δυναμική Μηχανών I. Προσέγγιση Galerkin

Φυσική IΙ. Ενότητα 10: Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

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

Φυσική IΙ. Ενότητα 4: Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Δυναμική Μηχανών I. Δυναμικά Μοντέλα Συνεχούς Μέσου

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

ΑΣΚΗΣΗ 7. έκδοση DΥΝI-EXC b

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΤΗΣΗΣ 3A: ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

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

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

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

ΠΕΙΡΑΜΑ 8. Μελέτη Ροπής Αδρανείας Στερεών Σωµάτων

Πρέσσες κοχλία. Κινηματική Δυνάμεις Έργο. Πρέσσες κοχλία. Γ.Βοσνιάκος-ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ

Δυναμική εργαλειομηχανών

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,

ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Η ενέργεια ταλάντωσης ενός κυλιόμενου κυλίνδρου

Μηχανική του στερεού σώματος

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 5: Παράγωγος Πεπλεγμένης Συνάρτησης, Κατασκευή Διαφορικής Εξίσωσης. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ - ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

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:

ΦΥΣΙΚΗ. Ενότητα 7: ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗ ΣΤΕΡΕΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΣΤΑΘΕΡΟ ΑΞΟΝΑ. Αν. Καθηγητής Πουλάκης Νικόλαος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

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

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

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

Μηχανική Στερεού Ασκήσεις Εμπέδωσης

ΦΥΣΙΚΗ. Ενότητα 8: ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗ ΣΤΕΡΕΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΣΤΑΘΕΡΟ ΑΞΟΝΑ. Αν. Καθηγητής Πουλάκης Νικόλαος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

Φυσική Ι. Ενότητα 4: Νόμοι του Νεύτωνα. Κουζούδης Δημήτρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Transcript:

Δυναμική Μηχανών Ι Διδάσκων: Αντωνιάδης Ιωάννης Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας

Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό βασίζεται στην παρουσίαση Μοντελοποίηση Μηχανικών Συστημάτων Πολλών Βαθμών Ελευθερίας του καθ. Ιωάννη Αντωνιάδη και υπόκειται σε άδεια χρήσης Creative Commons. Για υλικό όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

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 3

I) Μοντελοποίηση 4

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 5

Μοντελοποίηση 1. Αναγνώριση διακριτών στοιχείων Αδράνεια, δυσκαμψία, απόσβεση, εξωτερικές δυνάμεις 2. Επιλογή βαθμών ελευθερίας qq Περιγράφουν πλήρως την κινηματική του συστήματος Στρατηγική επιλογή Αναγνώριση και απαληφή περιορισμών 6

II) Κινηματική 7

Κινηματική 1. Υπολογισμός συντεταγμένων θέσεων ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των Β.Ε. qq Σημειακή μάζα Θέση rr (qq) Στερεό σώμα (2D κίνηση) Κέντρο βάρους rr GG (qq), Διεύθυνση θθ qq Ελατήρια/αποσβεστήρες Σχετική θέση δδrr (qq) των δύο ακροδεκτών κάθε στοιχείου Εξωτερικές δυνάμεις/ροπές Θέση rr FF (qq) όπου ασκείται η εξωτερική δύναμη FF Διεύθυνση θθ TTTT qq του σώματος όπου ασκείται η ροπή TT 8

Κινηματική 2. Υπολογισμός των γραμμικών/γωνιακών ταχυτήτων θέσεων ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των qq και qq Η ταχύτητα uu (qq, qq ) της θέσης rr (qq) μπορεί να γραφεί μέσω ενός Ιακωβιανoύ πινάκων JJ (qq): uu = ddrr (qq) dddd = JJ (qq) qq όπου JJ qq = ddrr (qq) ddqq Ιακωβιανός πίνακας της θέσης rr (qq) ως προς τους Β.Ε. qq 9

Κινηματική 2. Ιακωβιανοί πίνακες ενδιαφέροντος Ταχύτητα θέσης i: uu = ddrr dddd = JJ (qq) qq Γωνιακή ταχύτητα στερεού σώματος σε 3 διαστάσεις: Γωνιακή ταχύτητα ωω δεν είναι παράγωγος κάποιας γωνίας! ωω = JJ ω (qq) qq Γωνιακή ταχύτητα στερεού σώματος σε 2 διαστάσεις: ωω = θθ = JJ θ (qq) qq 10

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 uu 1 cc m 2 uu 2 Επιλογή 1 Επιλογή 2 δδrr cc = xx 1 xx 2 ff cc = cc uu 1 uu 2 = cc xx 1 xx 2 δδrr cc = xx 2 xx 1 ff cc = cc uu 2 uu 1 = cc xx 2 xx 1 m 1 ff cc ff cc ff cc ff cc ff cc ff m m cc 1 1 2 2 1 2 cc cc ff cc ff cc m 2 11

III) Μέθοδος Lagrange 12

Μέθοδος Lagrange (κλασσική) Η δυναμική εξίσωση για τον j-οστό Β.Ε. προκύπτει ως: dd dddd TT qq, qq qq jj TT qq, qq qq jj + VV qq qq jj = ξξ jj, jj = 1,2,, NN TT(qq, qq ) VV qq Κινητική ενέργεια συστήματος Δυναμική ενέργεια συστήματος γενικευμένη δύναμη Β.Ε. j NN FFFFFFFFFF ξξ jj = ( rr FF ) TT FF qq jj =1 NN TTTTTTTTTTTT + ( ωω ) TT ΤΤ qq jj =1 j-ιοστή στήλη του Ιακωβιανού JJ F (qq) της θέσης rr FF (qq) όπου ασκείται η δύναμη FF ως προς τους Β.Ε. qq j-ιοστή στήλη του Ιακωβιανού πίνακα JJ ωω (qq) της γωνιακής ταχύτητας του σώματος που ασκείται η ροπή ΤΤ 13

Μέθοδος Lagrange: Μεθοδολογία dd dddd TT qq, qq qq jj TT qq, qq qq jj + VV qq qq jj = ξξ jj, jj = 1,2,, NN 1. Υπολογισμός κινητικής ενεργείας TT qq, qq, δυναμικής ενέργειας V qq, και Ιακωβιανών JJ (qq) για τις εξωτερικές δυνάμεις Με βάση τη κινητική/κινηματική του συστήματος 2. Για κάθε βαθμό ελευθερίας qq jj : 1. Πρώτος όρος: παραγώγηση TT qq, qq ως προς qq jj. Παραγώγηση αποτελέσματος ως προς χρόνο t. 2. Δεύτερος όρος: παραγώγηση TT qq, qq ως προς qq jj. 3. Τρίτος όρος: παραγώγηση V qq ως προς qq jj. 4. Τέταρτος όρος: άθροισμα εσωτερικών γινόμένων των j-ιοστών στήλων των Ιακωβιανών JJ FF (qq) με τις FF και των j-ιοστών στήλων των ιακωβιανών JJ ωωi (qq) με τις ΤΤ. 14

Μέθοδος Lagrange (Μητρωϊκή) Αντί παραγώγισης ως προς κάθε Β.Ε. qq jj ξεχωριστά, παραγώγιση ως προς το διάνυσμα qq των Β.Ε. dd dddd TT qq TT qq + qq = ξξ dd dddd dd dddd TT qq 1 TT qq Ν TT qq 1 TT qq Ν VV qq 1 VV qq Ν ξξ 1 ξξ NN Δυνάμεις αδράνειας Μη γραμμικές δυνάμεις Δυνάμεις ελαστικότητας Δυνάμεις βαρύτητας Δυνάμεις απόσβεσης Εξωτερικές δυνάμεις/ροπές 15

Κινητική Ενέργεια Η κινητική ενέργεια Τ qq, qq ενός συστήματος ισούται με το άθροισμα των κινητικών ενεργειών Τ qq, qq όλων των στοιχείων αδράνειας Τ qq, qq = Τ(qq, qq ) Κινητική ενέργεια i-ιοστού στοιχείου αδράνειας (3D): Τ = 1 2 mm TT uu GG uugg + ωω TT II ωω = = 1 2 qq TT mm TT JJ GG JJGG TT + JJ ωω II JJ ωω qq Σε 2D κίνηση: ΜΜ qq Τ = 1 2 qq TT mm TT JJ GG JJGG + II TT JJ θθ JJθθ qq 16

Μητρώο Μάζας Η κινητική ενέργεια μπορεί να γραφτεί ως Τ qq, qq = 1 2 qq TT ΜΜ(qq) qq ο συμμετρικός θετικά ορισμένος Ν Ν πίνακας ΜΜ(qq) είναι το μητρώο μάζας και υπολογίζεται αναλυτικά ως: Τ qq, qq = Τ = 1 2 qq TT { mm TT JJ GG JJGG + TT JJ TT II JJ TT } Μητρώο μάζας ΜΜ(qq) ενός συστήματος = άθροισμα μητρώων μάζας MM(qq) κάθε στοιχείου αδράνειας qq ΜΜ qq ΜΜ qq = MM(qq) MM(qq) = mm TT JJ GG JJGG TT + JJ TT II JJ TT 17

Δυναμική Ενέργεια Η Δυναμική ενέργεια VV qq ενός συστήματος ισούται με το άθροισμα των δυναμικών ενεργειών V qq όλων των στοιχείων ελαστικότητας/δυσκαμψίας VV qq = VV llllllllllll qq +VV gggggggggggggg qq Δυναμική ενέργεια λόγω γραμμικών ελατηρίων VV llllllllllll qq = { VVllllllllllll(qq)} Δυναμική ενέργεια λόγω βαρύτητας VV gggggggggggggg qq = { VVgggggggggggggg(qq)} VV llllllllllll (qq) = 1 2 ( kk TT δδrr kk δδrr kk ) VVgggggggggggggg (qq) = mm gg zz (qq) 18

Μητρώο Ελαστικότητας Η δυναμική ενέργεια V llllllllllll (qq) λόγω γραμμικών ελατηρίων συνήθως μπορεί να γραφεί ως: ο συμμετρικός θετικά ημιορισμένος Ν Ν πίνακας KK είναι το μητρώο ελαστικότητας και υπολογίζεται ως εξής: VV llllllllllll qq = Vllllllllllll VV llllllllllll qq = 1 2 qqtt KK qq = 1 2 kk TT δδrr kk δδrr kk = 1 2 qqtt kk Μητρώο ΚΚ ενός συστήματος = άθροισμα μητρώων ελαστικότητας ΚΚ γραμμικών στοιχείων ελαστικότητας TT JJ δr JJ δδrr ΚΚ qq KK = KK KK = kk TT JJ δr JJ δδrr 19

Γενικευμένες Δυνάμεις Βαρύτητας Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας λόγω δυναμικής ενέργειας βαρύτητας V gggggggggggggg (qq): ξξ gggggggggggggg = VV gggggggggggggg qq qq Ισούται με άθροισμα γενικευμένων δυνάμεων σε κάθε στοιχείου μάζας ξξ gggggggggggggg = VVgggggggggggggg qq qq = ξξgggggggggggggg ξξ gggggggggggggg = mm gg zz qq qq = mm TT gg JJ zz Ιακωβιανός πίνακας της z συντεταγμένης του Κ.Β. της μάζας i ως προς τους Β.Ε. qq 20

Γενικευμένες δυνάμεις εξωτερικών δυνάμεων Γενικευμένες δυνάμεις εξωτερικών δυνάμεων/ροπών: NN FFFFFFFFFF ξξ = JJ FF TT FF =1 NN TTTTTTTTTTTT + JJ ωω, TT ΤΤ =1 Ιακωβιανός πίνακας της θέσης rr F όπου ασκείται η δύναμη FF Ιακωβιανός πίνακας της γωνιακής ταχύτητας του σώματος όπου ασκείται η ροπή ΤΤ Στην ειδική περίπτωση εξωτερικών δυνάμεων που αντιστοιχούν σε γραμμικά στοιχεία αποσβεσης, οι αντίστοιχες γενικευμένες δυνάμεις υπολογίζονται μέσω του μητρώου απόσβωσης 21

Δυνάμεις Απόσβεσης Δύναμη σε γραμμικό αποσβεστήρα uu 1 uu 2 uu 1 uu 2 m 1 m 2 m 1 ff cc ff cc m 2 cc ff cc = cc uu 1 uu 2 cc = cc δδrrcc = cc JJ δδrr (qq) qq Αντίστοιχες γενικευμένες δυνάμεις ξξ cc = JJ TT 1 ( ff cc ) + JJ TT 2 ff cc = (JJ TT 1 JJ TT cc 2 ) cc JJ δδrr (qq) qq cc ξξ cc = JJ δδrr (qq) TT cc cc JJ δδrr (qq) qq 22

Μητρώο Απόσβεσης Γενικευμένες δυνάμεις λόγω γραμμικών αποσβεστήρων: ξξ dddddddd qq, qq = ξξ cc όπου ο συμμετρικός Ν Ν πίνακας CC(qq) είναι το μητρώο απόσβεσης Ν dddddddd CC qq = CC(qq) =1 Ν dddddddd =1 Ν dddddddd = { JJ δrr =1 = CC(qq) qq TT cc JJ δrr } Το μητρώο απόσβεσης CC ενός συστήματος = άθροισμα μητρώων απόσβεσης CC κάθε γραμμικού στοιχείου απόσβεσης 23

Μέθοδος Lagrange (Μητρωϊκή Μορφή) dd dddd TT qq TT qq + qq = ξξ dd dddd TT qq = dd dddd ΜΜ qq qq = ΜΜ qq qq + dd dddd ΜΜ qq qq TT qq = 1 (qq TT ΜΜ(qq) qq ) 2 qq VV qq qq = VV llllllllllll qq qq + VV gggggggggggggg qq qq = KK qq ξξ gggggggggggggg NN FFFFFFFFFF ξξ = CC qq + JJ TT FF =1 NN TTTTTTTTTTTT + JJ TT, TT ΤΤ =1 24

Μη Γραμμικές Δυνάμεις Πρώτος και ο δεύτερος όρος συνεισφέρουν μη γραμμικές αδρανειακές δυνάμεις (φυγοκεντικές, Coriolis) ξξ nnnnnnnnnnnn qq, qq ddμμ qq = dddd qq + 1 (qq TT ΜΜ(qq) qq ) 2 qq όπου ddμμ qq dddd 1 (qq TT ΜΜ(qq) qq ) 2 qq qq = ( NN JJ=1 { MM qq qq jj }) qq jj = 1 2 qq TT ΜΜ qq 1 qq 1 2 qq TT ΜΜ qq NN qq TT ΜΜ qq jj = Μ 11 qq Μ 1NN qq qq jj qq jj Μ NN1 qq Μ NNNN qq qq jj qq jj 25

Μέθοδος Lagrange (Μητρωϊκή Μορφή) Συνολικά (Ν βαθμοί ελευθερίας) NN FFFFFFFFFF ΜΜ qq qq + CC qq qq + KK qq = ξξ ggggggvv + ξξ nnnnnnnnnnnn + JJ TT FF =1 NN TTTTTTTTTTTT + JJ TT, TT ΤΤ =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: mm xx + cc xx + kk xx = mmmm + ff tt 26

Παράδειγμα 1: Ταλαντώσεις στο φορτίο γερανογέφυρας λόγω της κίνησης της γερανογέφυρας 27

Παράδειγμα 1: Μοντελοποίηση Πλάγια όψη xx F(tt) g Μ cc cc TT θθ L m qq = xx θθ 28

Παράδειγμα 1: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος MM = Θέση x Κ.Β. 0 Τ μάζας Μ rr GG mm rr GG = Θέση xx + Κ.Β. LL ssμάζας θθ LL m cc Τ θθ cc TT L mm = z συντεταγμένη xx + LL ss θθ LL θέσης cc Τ θθ Κ.Β. μάζας m zz GG δδrr cc = Σχετική xx θέση ακροδεκτών c 1 δθ cccc = Σχετική 2 θθ ccτ γωνία θθ ccτ ακροδεκτών = θθ c Τ rr FF = Θέση xx όπου ασκείται η δύναμη F 0 Τ ZZ xx F(tt) g Μ cc XX θθ m qq = xx θθ 29

Παράδειγμα 1: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των βαθμών ελευθερίας MM rr GG = x 0 Τ mm rr GG = xx + LL ss θθ LL cc Τ θθ mm zz GG = LL cc θθ δδrr cc = xx δθ cccc = 2 θθ ccτ 1 θθ ccτ = θθ ZZ xx F(tt) Μ cc cc TT θθ g XX L m qq = xx θθ rr FF = xx 0 Τ ss θθ sin (θθ) cc θθ cos (θθ) 30

Παράδειγμα 1: Κινηματική Υπολογισμός Ιακωβιανών πινάκων για τις θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος MM JJ GG = 1 0 0 0 mm JJ GG = 1 LL cc θθ 0 LL ss θθ mm JJ zz = 0 LL ss θθ ZZ xx F(tt) Μ cc cc TT θθ g XX L m cc JJ δδrr = 1 0 cccc = 0 1 JJ δδθ JJ FF = 1 0 0 0 qq = xx θθ 31

Παράδειγμα 1: Μητρώα Αδράνειας Μητρώα αδράνειας στοιχείων MMMM qq = Μ ΜJJ TT GG Μ JJ GG = MM 0 0 ZZ xx F(tt) Μ cc cc TT L g XX mm MM qq = m mjj TT GG m JJ GG = mm 1 LL cc θθ LL 2 θθ m Μητρώο αδράνειας συστήματος qq = xx θθ MM qq = mm MM qq + MM MM qq = MM + mm mm LL cc θθ mm LL 2 32

Παράδειγμα 1: Μητρώα Ελαστικότητας Μητρώα ελαστικότητας στοιχείων ZZ xx F(tt) Μ g Το σύστημα δεν έχει γραμμικά στοιχεία ελαστικότητας! cc cc TT L XX Μητρώοελαστικότητας συστήματος θθ m KK = 00 qq = xx θθ 33

Παράδειγμα 1: Δυνάμεις Βαρύτητας Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας στοιχείων μάζας mmξξ gggggggggggggg = mm gg mmjj TT zz = mm gg 0 LL ss θθ Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας συστήματος ZZ xx F(tt) Μ cc cc TT θθ g XX L m ξξ gggggggggggggg = mmξξ gggggggggggggg = 0 mm gg LL ss θθ qq = xx θθ 34

Παράδειγμα 1: Μητρώα Απόσβεσης Μητρώα απόσβεσης στοιχείων cc CC = ccjj TT δrr cc cc JJ δrr = cc 0 0 0 cccc CC = cccc TT JJ δrr cctt cccc JJ δrr = 0 0 0 cc TT ZZ xx F(tt) Μ cc cc TT θθ g XX L m Μητρώο απόσβεσης συστήματος qq = xx θθ CC = cc CC + cccc CC = cc 0 0 cc TT 35

Παράδειγμα 1: Εξωτερικές Δυνάμεις/Ροπές Γενικευμένες δυνάμεις λόγω εξωτερικών δυνάμεων/ροπών ZZ xx F(tt) Μ g ξξ = MMJJ TT F FF = 1 0 0 0 FF 0 = FF 0 cc cc TT θθ L m XX H F ασκείται κατά τον άξονα x qq = xx θθ 36

Παράδειγμα 1: Μη γραμμικές δυνάμεις MM qq = MM + mm mm LL cc θθ mm LL 2 ZZ xx F(tt) Μ g cc cc TT θθ XX L m ddμμ qq ξξ nnnnnnnnnnnn qq, qq = dddd = mm LL ss 2 θθ θθ 0 qq + 1 2 qq TT ΜΜ qq qq qq qq = xx θθ 37

Παράδειγμα 1: Δυναμικές Εξισώσεις Συνολικά, οι εξισώσεις κίνησης που προκύπτουν για τους 2 Β.Ε. Είναι: ZZ xx F(tt) g Ροπή αδράνειας μάζας m σε απόσταση L MM + mm mm LL cc θθ xx mm LL 2 θθ = + cc 0 cc TT xx θθ 0 mm gg LL ss θθ + mm LL ss θθ θθ 2 0 + FF(tt) 0 cc cc TT Μ XX L θθ m qq = xx θθ Δύναμη επαναφοράς εκκρεμούς 38

Παράδειγμα 2: Ταλάντωση στην κεφαλή σκληρού δίσκου 39

Παράδειγμα 2: Μοντελοποίηση κάτοψη TT(tt) II L k θθ δδ cc TT qq = θθ δδ 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 40

Παράδειγμα 2: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος II θθ = Διεύθυνση θθ αδράνειας Ι mm rr GG = LL cc θθ δδ ss θθ Θέση Κ.Β. μάζας m LL ss θθ + δδ cc θθ TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ δδrr kk = Σχετική δδ θέση ακροδεκτών k δθ cccc = 2 1 Σχετική θθ ccτ γωνία θθ ccτ ακροδεκτών = θθ c Τ θθ Τ = Διεύθυνση θθ στερεού σώματος (αδράνειας Ι) όπου ασκείται η ροπή Τ 41

Παράδειγμα 2: Κινηματική Θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος ως συνάρτηση των βαθμών ελευθερίας Ι θθ = θθ mm rr GG = LL cc θθ δδ ss θθ LL ss θθ + δδ cc θθ TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ δδrr kk = δδ δθ 2 1 cccc = θθ ccτ θθ ccτ = θθ θθ Τ = θθ ss θθ sin (θθ) cc θθ cos (θθ) 42

Παράδειγμα 2: Κινηματική Υπολογισμός Ιακωβιανών πινάκων για τις θέσεις/διευθύνσεις ενδιαφέροντος II JJ θ = 1 0 TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ mm JJ GG = LL ss θθ δ cc θθ ss θθ LL cc θθ δ ss θθ cc θθ kk JJ δr = 0 1 cccc JJ δθ = 1 0 JJ TT = 1 0 43

Παράδειγμα 2: Μητρώα Αδράνειας Μητρώα αδράνειας στοιχείων ΙMM qq = Ι Ι TT JJ θ Ι JJθθ = II 0 0 mm MM qq = m mjj TT GG m JJ GG = mm LL2 + δδ 2 LL 1 TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ Μητρώο αδράνειας συστήματος MM qq = mm MM qq + Ι MM qq = Ι + mm (LL2 + δδ 2 ) mm LL m 44

Παράδειγμα 2: Μητρώα Ελαστικότητας Μητρώα ελαστικότητας στοιχείων kk KK = kk kk TT JJ δr kk JJ δδrr = 0 0 kk TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ Μητρώο ελαστικότητας συστήματος KK = kk KK = 0 0 kk 45

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 TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ Γενικευμένες δυνάμεις βαρύτητας συστήματος ξξ gggggggggggggg = 00 46

Παράδειγμα 2: Μητρώα Απόσβεσης Μητρώα απόσβεσης στοιχείων cccc CC = cccc TT JJ δrr cctt cccc JJ δrr = cc TT 0 0 0 TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ Μητρώο απόσβεσης συστήματος CC = cccc CC = cc TT 0 0 0 47

Παράδειγμα 2: Εξωτερικές Δυνάμεις/Ροπές II TT 1 ξξ = JJ θ Τ = 0 Τ = Τ 0 TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ 48

Παράδειγμα 2: Μη γραμμικές δυνάμεις MM qq = Ι + mm (LL2 + δδ 2 ) mm LL m TT(tt) YY II cc TT L k θθ δδ XX qq = θθ δδ ddμμ qq ξξ nnnnnnnnnnnn qq, qq = qq + 1 (qq TT ΜΜ(qq) qq ) dddd 2 qq = 2 μμ δδ θθ δδ mm δδ θθ 2 49

Παράδειγμα 2: Δυναμικές Εξισώσεις Συνολικά, οι εξισώσεις κίνησης που προκύπτουν για τους 2 Β.Ε. Είναι: TT(tt) YY II cc TT L k δδ θθ XX qq = θθ δδ Ι + mm (LL 2 + δδ 2 ) + 0 0 θθ kk δδ mm LL m θθ δδ + cc TT 0 0 = 2 mm δδ θθ δδ mm δδ θθ 2 θθ δδ + TT(tt) 0 50

Παράρτημα 51

Παράρτημα: Ιακωβιανός Πίνακας Παράγωγος ενός NN 1 διανύσματος rr ως προς MM 1 διάνυσμα qq είναι ο NN MM πίνακας JJ (Ιακωβιανός) Τα στοιχεία του rr είναι συνάρτηση του qq Το στοιχείο JJ(, jj) είναι η μερική παράγωγος του i-οστού στοιχείου του rr ως προς το j-οστό στοιχείο του qq rr qq = rr 1 qq ff NN qq rr 1 (qq) qq 1 rr 1 (qq) qq MM qq = qq 1 qq MM JJ = ddrr(qq) ddqq = rr NN (qq) qq 1 rr (qq) qq jj rr NN (qq) qq MM 52

Παράρτημα: Ιακωβιανός Πίνακας Στην δυναμική μηχανικών συστημάτων: rr είναι η θέση rr ενός σημείου ενδιαφέροντος i και qq είναι οι Β.Ε. Η αντίστοιχη ταχύτητα rr μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση του qq με μέσω του JJ (κανόνας αλυσίδας) uu = rr = ddrr (qq) dddd = rr (qq) qq ddqq dddd = JJ (qq) qq O Ιακωβιανός πίνακας JJ (qq) περιγράφει πως η ταχύτητα rr της θέσης i εξαρτάται από την χρονική μεταβολή των Β.Ε. qq. 53

Χρηματοδότηση Το Έργο Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα του ΕΜΠ υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρηματικού Προγράμματος Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.