Spørgsmål:
Differentialligninger af en (forenklet) lastebro
tlp
2015-10-05 15:57:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jeg har problemer med at beregne differentialligningerne for en forenklet lastebro.

Systemet er bygget som vist på billedet nedenfor (bare en skitse):

enter image description here

Hvis jeg bruger Newton-metoden, får jeg følgende ligninger ved at forsømme friktion, luftmodstand og ændringer i rebets længde:

$ $ m_k \ ddot {x} _ {k} = F_ {A} + F_ {S} \ sin (\ varphi) \\ m_G \ ddot {x} _ {G} = -F_ {S} \ sin (\ varphi ) \\ m_G \ ddot {z} _ {G} = m_ {G} g - F_ {S} \ cos (\ varphi) $$

Når jeg ser på de kinematiske forhold fra griberen ( cirklen med vægten $ m_G $) Jeg får følgende ligninger.

$$ x_ {G} = x_ {k} + l \ sin (\ varphi) \\ z_ {G} = l \ cos (\ varphi) \\\ varphi = \ omega t = \ dot {\ varphi} t $$

Jeg kender vægten $ m_k $ og $ m_G $ og længden $ l $ men værdierne er ikke vigtige lige nu.

Målet er at have to differentialligninger i slutningen. En ligning skal vise forholdet mellem drivkraften $ F_A $ og stien til vognen $ x_k $ (med afledninger) Den anden ligning skal vise forholdet mellem drivkraften $ F_A $ og rebets vinkel $ \ varphi_G $.

Derefter vil jeg lave overførselsfunktionerne (Laplace-transformation osv.), men det er ikke problemet.

Problemet er, at jeg ikke ser ud til at finde disse ligninger. Min bedste tilgang hidtil ser sådan ud:

$$ m_ {k} \ ddot {x} _ {k} = F_ {A} + F_ {S} \ sin (\ varphi) $$

Så det betyder, hvis

$$ m_G \ ddot {x} _ {G} = -F_ {S} \ sin (\ varphi) \\ F_ {S} \ sin ( \ varphi) = -m_ {G} \ ddot {x} _ {G} \\ $$

Jeg kan sige:

$$ m_ {k} \ ddot {x } _ {k} = F_ {A} - m_ {G} \ ddot {x} _ {G} \\ $$

og hvis jeg udleder $ x_ {G} $ sådan:

$$ x_ {G} = x_ {k} + l \ sin (\ varphi) \\\ prik {x} _ {G} = \ prik {x} _ {k} + l \ prik { \ varphi} \ cos (\ varphi) \\\ ddot {x} _ {G} = \ ddot {x} _ {k} + l \ left [\ ddot {\ varphi} \ cos (\ varphi) - \ dot {\ varphi} ^ {2} \ sin (\ varphi) \ right] $$

Jeg sidder faktisk fast her, fordi jeg ikke kan finde en måde at fjerne $ \ varphi $ fra ligningerne. Tilføjelsessætningerne hjælper mig slet ikke (eller bruger jeg dem korrekt).

Har nogen en idé om, hvordan jeg skal fortsætte på dette tidspunkt? Jeg håber, jeg ikke har brug for en komplet løsning . Jeg er faktisk mere interesseret i at gøre dette selv og håber at få et skub mod den rigtige retning.

To svar:
leCrazyEngineer
2016-01-17 03:34:32 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kinematik og dynamik

enter image description here

Dette er trinene til løsning af problemer af denne art.

  1. Analyser kinematikken i systemet.

$ \ hspace {5.em} $ $ _ {o} \ vec {r} _ {OP} $ = $ _ {o} \ vec {r} _ {OR} $ + $ _ {o} \ vec {r} _ {RP} $

$ \ hspace {5.em} $ $ _ {o} \ vec {r } _ {OP} $ = $ _ {o} \ vec {r} _ {OR} $ + $ R (\ varphi) _ {B} \ vec {r} _ {RP} $

$ \ hspace {5.em} $ $ _ {o} \ vec {r} _ {OP} $ = $ \ big (x_ {k} î + 0j + 0k \ big) $ + $ \ big (\ sin ( \ varphi) l î + 0j + \ cos (\ varphi) lk \ big) $

$ \ hspace {5.em} $ $ _ {o} \ vec {r} _ {OP} $ = $ \ big [\ big (x_ {k} + \ sin (\ varphi) l \ big) î + 0j + \ big (\ cos (\ varphi) l \ big) k \ big] $

note: $ R (\ varphi) $ er en rotationsmatrix og $ x_ {G} = x_ {k} + \ sin (\ varphi) l $.

Tager tidsderivaterne:

$ \ hspace {5.em} $ $ \ dot {x_ {G}} $ = $ \ dot {x_ {k}} + \ cos (\ varphi) \ dot {\ varphi} l $

$ \ hspace {5.em} $ $ \ ddot {x_ {G}} $ = $ \ ddot {x_ {k}} + l \ cos (\ varphi) \ ddot {\ varphi} - l \ sin (\ varphi) \ dot {\ varphi} ^ {2} $

  1. Brug Newtons ligning:
  2. ol>

    $ \ hspace {5.em} $ $ m_ {k} \ ddot {x_ {k}} = F_ {A} - m_ {G} \ ddot {x_ {G}} $

    Erstat $ x_ {G} $:

    $ \ hspace {5.em} $ $ m_ {k} \ ddot {x_ {k}} = F_ {A} - m_ {G} \ big (\ ddot {x_ {k}} + l \ cos (\ varphi) \ ddot {\ varphi} - l \ sin (\ varphi) \ dot {\ varphi} ^ {2} \ big) $

    $ \ hspace {5.em} $ $ \ big (m_ {k} + m_ {G} \ stor) \ ddot {x_ {k}} + m_ {G} \ big (l \ cos (\ varphi) \ ddot {\ varphi} \ big) - m_ {G} \ big (l \ sin (\ varphi) \ prik {\ varphi} ^ {2} \ big) = F_ {A} $

    For z-aksen:

    $ \ hspace {5.em} $ $ F_ {Z } $ = $ m_ {G} gl \ big (\ cos (\ varphi) \ dot {\ varphi} ^ {2} + \ sin (\ varphi) \ ddot {\ varphi} \ big) $

  3. Brug Newtons anden lov til rotation:

$ \ hspace {5.em} $ $ I \ ddot {\ varphi} $ = $ F_ { Z} l \ sin (\ varphi) - \ big (m_ {G} \ ddot {x_ {G}} \ big) l \ cos (\ varphi) $

$ F_ {Z} l \ sin (\ varphi) = m_ {G} gl \ sin (\ varphi) -l ^ {2} \ big (\ cos (\ varphi) \ sin (\ varphi) \ dot {\ varphi} ^ {2} + \ sin (\ varphi) ^ {2} \ ddot {\ varphi} \ big) $

$ \ big (m_ {G} \ ddot {x_ {G}} \ big) l \ cos (\ varphi) = m_ {G} \ big (l ^ {2} \ cos (\ varphi) ^ { 2} \ ddot {\ varphi} \ big) - m_ {G} \ big (l ^ {2} \ cos (\ varphi) \ sin (\ varphi) \ dot {\ varphi} ^ {2} \ big) + m_ {G} \ ddot {x_ {K}} l \ cos (\ varphi) $

Brug af trigonometri-identiteter:

$ \ hspace {5.em} $ $ \ big (I + m_ {G} l ^ {2} \ big) \ ddot {\ varphi} $ = $ m_ {G} gl \ sin (\ varphi) -m_ {k} l \ cos (\ varphi) \ ddot { x_ {k}} $

  1. Færdig! Nu kan du hvile ... $ \ ddot \ smile $
am304
2015-10-05 16:31:14 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mit gæt er, at du sandsynligvis har brug for en anden differentialligning til vinkelbevægelsen, der vil involvere inerti, såsom:

$$ m_G l ^ 2 \ ddot {\ varphi} = m_G gl \ sin (\ varphi) $$

hvilket giver:

$$ \ ddot {\ varphi} = \ frac {g} {l} \ sin (\ varphi) $$

Du kan så måske bruge de små vinkler tilnærmelse:

$$ \ sin (\ varphi) \ simeq \ varphi $$

Tjek eksempel på inverteret pendul.

Især det omvendte pendul er meget nyttigt ... tak for det - jeg tænkte ikke på det


Denne spørgsmål og svar blev automatisk oversat fra det engelske sprog.Det originale indhold er tilgængeligt på stackexchange, som vi takker for den cc by-sa 3.0-licens, den distribueres under.
Loading...