关于非完整系统分析动力学的某些问题

0.引言本报告包括非完整系统动力学领域内某些研究结果的综述。在从Hertz和Holder论文开始的浩瀚文献中,经常有变分原理和Jacobi方法对非完整系统适用性的相反提法。基于D’Alembert-Lagrange原理,我们在这里给出动力学积分原理的单一证明和分析。证明了Hamilton原理的各种形式等价性。给出了Hamilton作用量、Lagrange作用量和Jacobi作用量的稳定的充要条件,同样给出对运动方程积分的广义Jacobi方法适用的充要条件。得到了扩充的位形空间和相空间中运动的参数方程。这些参数方程代表了冲量-能量矢量的方      

THE GENERALITY OF THE GENERAL EQUATIONS OF DYNAMICS 1)

理论力学中动力学普遍方程,在分析力学中称为d'Alembert--Lagrange原理。动力学普遍方程之普遍在于,由它不仅可导出动力学普遍定理,可导出完整约束系统和非完整约束系统的运动微分方程,还可导出积分变分原理。     

动力学普遍方程的普遍性——分析力学札记之三十一

理论力学中动力学普遍方程,在分析力学中称为d’Alembert–Lagrange原理。动力学普遍方程之普遍在于,由它不仅可导出动力学普遍定理,可导出完整约束系统和非完整约束系统的运动微分方程,还可导出积分变分原理。     

基于非标准Lagrange函数下非完整系统的广义Chaplygin方程

本文提出并研究基于非标准Lagrange指数函数和非标准Lagrange幂函数下非完整系统的广义Chaplygin方程．给出基于非标准Lagrange函数下非完整系统动力学的微分变分原理,建立相应非标准Lagrange函数下动力学系统受线性非完整约束和非线性非完整约束下的广义Chaplygin方程．并举例说明结果的应用．     

变质量非完整系统的Kane方程及其应用

<正> 在分析动力学的应用研究中,Kane提出了用以建立一阶线性非完整系统不含乘子的封闭动力学方程的新方法.陈滨从d'Alembert-Lagrange 原理出发对这一方程加以证明并导出一阶非线性非完整系统相应的动力学方程.本文把Kane 的思想推广到变质量系统,并举一例说明其应用.1.变质量非完整系统的Kane 方程设变质量系统由N 个质点组成,在t 瞬时,质点P_(?)的质量为m_i(i=1,2,…,N);在(?)+dt 瞬时,从     

Lagrange第二类方程教学札记

为省略文字,以下简称之为Lagrange方程;文中符号如为教科书上所普遍使用的,则不另作说明.1.方程的特点D'Alembert-Lagrange 原理(即动力学普遍方程)为整个分析动力学的发展奠定了理论基础.Lagrange 方程就是由这个微分形式的变分原理推演得到的.以彼此独立的广义坐标为参变量,从统一的能量...     

定常完整约束系统动力学方程的伪线性形式

对定常完整约束系统,从动力学普遍方程出发,推导出一种用矩阵表示的伪线性形式的动力学方程.该方程只需写出质点系位置矢径与外力矢量的广义坐标表达式即可直接计算相关系数矩阵,从而得到系统的动力学方程.该方程形式简洁,计算格式整齐,适于用计算机代数语言的程式化实现,为力学系统的计算机辅助建模提供了一种途径.方法的正确性通过两个简单算例进行了验证.     

动力学普遍定理对非完整动力学的应用——分析力学札记之二十九

研究非完整动力学问题,可用理论力学方法或分析力学方法.理论力学方法用动力学普遍定理建立运动方程;分析力学方法用非完整动力学的各类方程来列写系统的运动方程.动力学普遍定理,特别是动量矩定理可以用于定点、质心或动点.有时对动点的动量矩定理比对定点的或质心的要简单得多.     

变质量系统哈密顿正则方程和哈密顿原理

从理想完整约束变质量系统的拉格朗日方程出发,导出了这种系统的哈密顿正则方程．从理想约束系统动力学普遍方程出发,导出了理想约束变质量系统哈密顿原理．     

变质量可控力学系统的Gauss原理和Appell方程

力学系统的运动依赖于力和约束,人们可以借助于力来控制运动(称为动力学控制),也可以借助于约束来控制运动(称为运动学控制)。我们研究一类力学系统,它的约束依赖于某些控制参数。得到可控力学系统的Lagrange方程、Hamilton方程和AppelI方程,用Gauss原理导出一阶非线性非完整系统广义坐标下的Appell 方程。本文考虑非线性非完整系统,导出了变质量可控力学系统在广义坐标和准坐标下的Gauss原理及Appell方程,最后举例说明其应用。本文主要结果是(1.5),(1.6),(1.20),(2.1),(3.13)及(3.14)。     

基于分数阶模型的非完整系统的Mei对称性及其守恒量

为了进一步揭示非完整系统的对称性和守恒量之间的内在关系，提出并研究基于分数阶模型的非完整系统的Mei对称性及其守恒量．首先，根据分数阶d’Alembert-Lagrange原理建立基于分数阶模型的非完整系统的动力学方程．其次，根据动力学方程中的动力学函数经无限小变换后仍满足原方程的不变性，建立分数阶模型下非完整系统的Mei对称性定理，给出Mei守恒量．再次，讨论了几个特例：分数阶Hamilton系统、经典非完整系统和受非完整约束的分数阶Lagrange系统的Mei对称性定理．文末举例说明结果的应用．     

基于积分本构黏弹性带的横向非线性动力学

研究了黏弹性传动带在1:1内共振时的横向非平面非线性动力学特性. 首先,利用Hamilton原理建立了黏弹性传动带横向非平面非线性动力学方程. 然后综合应用多尺度法和Galerkin离散法对偏微分形式的动力学方程进行摄动分析,得到了四维平均方程. 对平均方程的稳定性进行了分析,从理论上讨论了动力系统解的稳定性变化情况. 最后数值模拟结果表明黏弹性传动带系统存在混沌运动、概周期运动和周期运动.      

有多余坐标完整系统的自由运动

对于完整力学系统,若选取的参数不是完全独立的,则称为有多余坐标的完整系统. 由于完整力学系统的第二类Lagrange 方程中没有约束力,故为研究完整力学系统的约束力,需采用有多余坐标的带乘子的Lagrange方程或第一类Lagrange 方程. 一些动力学问题要求约束力不能为零,而另一些问题要求约束力很小. 如果约束力为零,则称为系统的自由运动问题. 本文提出并研究了有多余坐标完整系统的自由运动问题. 为研究系统的自由运动,首先,由d'Alembert-Lagrange 原理, 利用Lagrange 乘子法建立有多余坐标完整系统的运动微分方程;其次,由多余坐标完整系统的运动方程和约束方程建立乘子满足的代数方程并得到约束力的表达式;最后,由约束系统自由运动的定义,令所有乘子为零,得到系统实现自由运动的条件. 这些条件的个数等于约束方程的个数,它们依赖于系统的动能、广义力和约束方程,给出其中任意两个条件,均可以得到实现自由运动时对另一个条件的限制. 即当给定动能和约束方程,这些条件会给出实现自由运动时广义力之间的关系. 当给定动能和广义力,这些条件会给出实现自由运动时对约束方程的限制. 当给定广义力和约束方程,这些条件会给出实现自由运动时对动能的限制. 文末,举例并说明方法和结果的应用.      

任意阶非完整约束系统的Appell型方程

本文从万有D'Alembert原理出发,得到任意阶非完整约束系统的Appell型方程,在此基础上可给出本结果的推论.     

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

弱非线性动力学方程的 Noether 准对称性与近似 Noether 守恒量

自然界和工程技术领域存在大量的非线性问题,它们通常需要用非线性微分方程来描述. 守恒量在微分方程的求解、约化和定性分析方面发挥重要作用. 因此,研究非线性动力学方程的近似守恒量具有重要意义. 文章利用 Noether 对称性方法研究弱非线性动力学方程的近似守恒量. 首先,将弱非线性动力学方程化为一般完整系统的 Lagrange 方程,在 Lagrange 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 其次,将弱非线性动力学方程化为相空间中一般完整系统的 Hamilton 方程,在 Hamilton 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 再次,将弱非线性动力学方程化为广义 Birkhoff 方程,在 Birkhoff 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 最后,以著名的 van der Pol 方程,Duffing 方程以及弱非线性耦合振子为例,分析三个不同框架下弱非线性系统的 Noether 准对称性与近似 Noether 守恒量的计算. 结果表明:同一弱非线性动力学方程可以化为不同的一般完整系统或不同的广义 Birkhoff 系统;Hamilton 框架下的结果是 Birkhoff 框架的特例,而 Lagrange 框架下的结果与 Hamilton 框架的等价. 利用 Noether 对称性方法寻找弱非线性动力学方程的近似守恒量不仅方便有效,而且具有较大的灵活性.      

任意阶非完整约束系统的Appell型方程

本文从万有D'Alembert原理出发,得到任意阶非完整约束系统的Appell型方程,在此基础上可给出本结果的推论.     

NOETHER QUASI-SYMMETRY AND APPROXIMATE NOETHER CONSERVATION LAWS FOR WEAKLY NONLINEAR DYNAMICAL EQUATIONS 1)

自然界和工程技术领域存在大量的非线性问题,它们通常需要用非线性微分方程来描述. 守恒量在微分方程的求解、约化和定性分析方面发挥重要作用. 因此,研究非线性动力学方程的近似守恒量具有重要意义. 文章利用 Noether 对称性方法研究弱非线性动力学方程的近似守恒量. 首先,将弱非线性动力学方程化为一般完整系统的 Lagrange 方程,在 Lagrange 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 其次,将弱非线性动力学方程化为相空间中一般完整系统的 Hamilton 方程,在 Hamilton 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 再次,将弱非线性动力学方程化为广义 Birkhoff 方程,在 Birkhoff 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 最后,以著名的 van der Pol 方程,Duffing 方程以及弱非线性耦合振子为例,分析三个不同框架下弱非线性系统的 Noether 准对称性与近似 Noether 守恒量的计算. 结果表明：同一弱非线性动力学方程可以化为不同的一般完整系统或不同的广义 Birkhoff 系统;Hamilton 框架下的结果是 Birkhoff 框架的特例,而 Lagrange 框架下的结果与 Hamilton 框架的等价. 利用 Noether 对称性方法寻找弱非线性动力学方程的近似守恒量不仅方便有效,而且具有较大的灵活性.     

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针对充黏性液体的刚体,给出了一种应用Jourdain变分原理推导系统动力学方程的方法.将流体微团上所受的表面力合力视为质点系的主动力,出现在系统内力的虚功率中,代入系统的动力学普遍方程,从而获得充液刚体系统的Newton-Euler方程及腔内液体的Navier-Stokes方程.该方法不仅可以导出充黏性液体系统的动力学方程,还可以退化为充理想液体的系统动力学方程.     

考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.