Анализ динамического поведения механической системы

Содержание
Аннотация
Исходные данные
1. Применение основных теорем динамики механической системы
1.1 Постановка второй основной задачи динамики системы
1.2 Определение закона движения системы
1.3 Определение реакций внешних и внутренних связей
2. Построение алгоритма вычислений
3. Применение принципа Даламбера-Лагранжа и уравнений Лагранжа второго рода.
3.1 Составление дифференциального уравнения движения механизма с помощью принципа Даламбера-Лагранжа.
Анализ результатов

Аннотация
Дана механическая система с одной степенью свободы, представляющая собой совокупность абсолютно твердых тел, связанных друг с другом посредством невесомых растяжимых нитей, параллельных соответствующим плоскостям. Система снабжена внешней упругой связью с коэффициентом жесткости с. На первое тело системы действует сила сопротивления и возмущающая гармоническая сила . Трением качения и скольжения пренебрегаем. Качение катков происходит без скольжения, проскальзывание нитей на блоках отсутствует. Применяя основные теоремы динамики системы и аналитические методы теоретической механики, определен закон движения первого тела и реакции внешних и внутренних связей. Произведен численный анализ полученного решения с использованием ЭВМ.

Исходные данные

m = 1 кг

r = 0.1 м
с = 4000 H/м

Часть 1. Применение основных теорем динамики механической системы

1.1 Постановка второй основной задачи динамики системы.
Расчетная схема представлена на рисунке 1.
Здесь обозначено

; ; — силы тяжести;
— нормальная реакция опорной плоскости;
— сила сцепления;
— упругая реакция пружины;
— реакция подшипников;
— сила вязкого сопротивления;
— возмущающая сила.
Рассматриваемая механическая система имеет одну степень свободы (нити нерастяжимые, качение катка (3) происходит без скольжения). Будем определять ее положение с помощью координаты S. Начало отсчета координаты совместим с положением статического равновесия центра масс груза (1).
Для построения дифференциального уравнения движения системы используем теорему об изменении кинетической энергии механической системы в форме

— сумма мощностей внешних сил;
— сумма мощностей внутренних сил;
Тогда кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий тел,
(1.2)
(1.3) Груз (1) совершает поступательное движение, ;
(1.4) Блок (2) совершает вращательное движение, , где
(1.5) Каток (3) совершает плоскопараллельное движение, , где
Кинетическая энергия всего механизма равна
(1.6) ;
Выразим – через скорость груза (1)

(1.7) ; ;
Подставляя кинематические соотношения (1.7) в выражение (1.6), получаем

(1.8)
(1.9)
;
Найдем производную от кинетической энергии по времени
(1.10)
Вычислим сумму мощностей внешних и внутренних сил. Мощность силы равна скалярному произведению вектора силы на скорость в точке ее приложения;
(1.11)
Рассматриваемая нами механическая система является неизменяемой, т.е. тела, входящие в систему, недеформируемые и скорости их точек относительно друг друга равны нулю. Поэтому сумма мощностей всех внутренних сил будет равняться нулю
(1.12) = 0;
Будут равняться нулю и мощности следующих внешних сил, приложенных в точках, скорости которых равны нулю

Сумма мощностей остальных внешних сил
(1.13)
С учетом кинематических соотношений (1.7) сумму мощностей внешних сил определим
(1.14)
где приведенная сила.
Упругую силу считаем пропорциональной удлинению пружины, которое равно сумме статического и динамического удлинений
(1.15)
Сила вязкого сопротивления , тогда
(1.16)
В состоянии покоя системы приведенная сила равна нулю. Полагая в (1.16) S=0, =0 и F(t)=0, получаем условие равновесия системы
(1.17)
Отсюда статическое удлинение пружины равно
(1.18)
Подставляя (1.18) в (1.16), получаем окончательное выражение для приведенной силы
(1.19)
Подставив выражения для производной от кинетической энергии и сумму мощностей всех сил с учетом (1.19) в (1.1), получаем дифференциальное уравнение движения системы
(1.20)
(1.21)
где k циклическая частота свободных колебаний;

n – показатель степени затухания колебаний;

1.2 Определение закона движения системы
Проинтегрируем дифференциальное уравнение (1.20). общее решение этого неоднородного уравнения складывается из общего решения однородного уравнения и частного решения неоднородного
S = + ;
Однородное дифференциальное уравнение, соответствующее данному неоднородному, имеет вид
Составим характеристическое уравнение и найдем его корни

т.к. n < k => решение однородного уравнения имеет вид

где частное решение дифференциального уравнения ищем в виде правой части
далее получаем

Сравнивая коэффициенты при соответствующих тригонометрических функциях справа и слева, получаем систему алгебраических уравнений для определения состояния А и В

Решая эту систему получаем следующие выражения
А = 0.04 м;
В = — 0.008 м;
Общее решение дифференциального уравнения

Постоянные интегрирования определяем из начальных условий, при t = 0 имеем

Решая эту систему получаем

1.3 Определение реакций внешних и внутренних связей
Для решения этой задачи расчленим механизм на отдельные части и изобразим расчетные схемы отдельно для каждого тела. Определение реакций связей проведем с помощью теоремы об изменении кинетического момента и теоремы об изменении количества движения.
Тело №1
Тело №2
Тело №3
C учётом кинематических соотношений (1.7) полученную систему уравнений преобразуем к вид

Решая эту систему, получаем выражение для определения реакций связей

2. Построение алгоритма вычислений
(2.1) Исходные данные

(2.2) Вычисление констант

(2.3) Задание начального времени t=0;
(2.4) Вычисление значений функций в момент времени t=0;

(2.5) Вычисление реакций связей

(2.6) Вывод на печать значений искомых функций в момент времени t;
(2.7) Определение значения времени на следующем шаге
(2.8) Проверка условия окончания цикла
(2.9) Возврат к пункту (2.4).

3. Применение принципа Даламбера-Лагранжа и уравнения Лагранжа второго рода
3.1 Применение принципа Даламбера-Лагранжа
Общее уравнение динамике системы есть математическое выражение принципа Даламбера-Лагранжа.

сумма элементарных работ всех активных сил на возможном перемещении системы;
сумма элементарных работ всех инерции сил на возможном перемещении системы.
Изобразим на рисунке активные силы и силы инерции (рис.3)
Идеальные связи
Не учитываем, и не отображаем на расчетной схеме, поскольку по определению работа их реакций на любом возможном перемещении системы равна 0.
Сообщим системе возможное перемещение.

Вычисляя последовательно элементарные работы активных сил и суммируя получим

(2)
Найдём возможную работу сил инерции

Запишем выражение для главных векторов и главных моментов сил инерции;

Используя кинематические соотношения (1.7), определим

Теперь возможную работу сил инерции можно преобразовать к виду

(3)
Далее подставляя выражения (2) и (3) в (1), т.е в общее уравнение динамики получаем

Поделив это уравнение на , получим дифференциальное уравнение вынужденных колебаний системы

Анализ результатов
В данной курсовой работе мы исследовали динамическое поведение механической системы с использованием основных теорем и уравнений теоретической механики. Дифференциальное уравнение движения механической системы получено тремя способами. Во всех случаях коэффициенты , n, k получились одинаковыми и совпали с компьютерной распечаткой, что говорит об их правильности. В процессе решения дифференциального уравнения данной механической системы были получены законы движения первого груза, его скорость и ускорение в зависимости от времени t. На основании этих зависимостей были определены законы изменения всех остальных характеристик механической системы, в том числе и реакции связей.