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达朗贝尔原理是理论力学动力学中一个重要的原理。该原理对瞬态动力学问题,通过对构件施加惯性力和惯性力偶,从而把动力学问题转变成为静力学问题,然后再用静力学方法来求解约束力或者加速度。由于静力学问题让人看上去觉得比较简单,所以达朗贝尔原理在其它学科里面得到了广泛应用。
这里首先举一个例子,说明达朗贝尔原理的使用方法,主要说明求解思路。但是该例子具有一定的特殊性,所以后面会再举一个例子,有了两个例子,基本上可以比较完整的说明达朗贝尔原理的应用了。
该问题如下:
其图形如下
确定求解思路
首先我们可以知道,该机构的原动件OA的运动是匀速转动,所以整个机构的运动已经确定。这就是说,该机构中任何构件的角加速度都可以根据OA的角速度求出来,而且所有构件的质心的加速度也可以求出来。既然角加速度和质心的加速度可以确定,而惯性力和惯性力偶是根据加速度确定的,所以所有构件的惯性力和惯性力偶都是已知量。
另外我们注意到,滑块A是不计质量的,所以分析中一般会直接把它与OA杆一起分析,而不用再单独分析它了。
既然惯性力和惯性力偶都是已知量,而我们这里要求的是O点的约束力和驱动力偶矩,所以我们下面绘制受力图时可以先不同关心诸如重力,惯性力,惯性力偶这样的已知力,目的只是先确定求解思路。
OA杆和BD杆的简要受力图如下。由于惯性力,惯性力偶均是已知量,重力也是已知量,这里都没有绘制,免得干扰视线,混淆思路。
同时我们也绘制出整体的受力图。同样忽略了重力和惯性力,惯性力偶。
上面是一个纯粹的静力学问题,要求O点反力和驱动力偶矩M。下面按照静力学的思路来求解该问题。
显然,有三个未知数,最好的方法当然是三个方程。应该是哪三个方程呢?
以整体为对象,看看其受力图。可以知道,只有B点的两个力不需要知道,因此,以整体为对象,对B点列力矩方程是合适的,这有了第一个方程。
下面转移到另外两个对象。
BD杆的受力图在上面,可以看到,其受力图中根本没有我们需要求的未知数,因此,否定该研究对象。
最后到了OA杆。其上面只有A点反力不需要知道,因此对A点取矩可以追加一个方程。
还差一个方程。仍旧以OA为对象,将所有力向AB方向投影列一个方程,同样可以避开A点的反力,这也可以列出一个方程,这样一共是三个方程。
现在我们的思路很清楚了。对于这个问题,最终只需要列出三个方程。
首先,以整体为对象,对B点取矩,列一个方程,可以求出O点的水平力。
接着,以OA加滑块一起为对象,在AB方向上列一个投影方程,可以求出O点的竖直力。
最后,以OA为对象,对A点列力矩方程,可以求出驱动力偶矩M.
下面我们开始正式求解这个问题。
(1)绘制受力图,并画出所需要的加速度。
首先是OA加滑块,其受力如图。由于OA是匀速转动,所以其质心只有一个向心加速度,如图,把它绘制出来。
接着是DB杆。绘制出受力图,然后绘制出其质心F的加速度,它有两个加速度:向心加速度和切向加速度。而且杆件还有一个角加速度,全部绘制出来。
(2)求出上述图中的加速度。把各个加速度用OA杆的角速度表达出来,这属于运动学的内容,不再赘述。
(3)绘制惯性力。
根据上图中画出的加速度,反向施加惯性力和惯性力偶。只要有质心加速度,反向必然会有惯性力。只要有角加速度,反向必然有惯性力偶。
这是OA杆施加了惯性力的受力图。
这是BD杆施加了惯性了和惯性力偶的受力图。
以及把上述两个受力图累加得到的整体受力图。
这步也需要把所有的惯性力,惯性力偶用相应的加速度表示出来。
(4)根据力系平衡列方程。
列出三个方程。这三个方程就来自于最前面确定的分析思路。
至此,该问题求解结束。
在该问题中,由于运动已知,从而所有的加速度都可以预先求出来,所以该问题中只含有未知的约束反力,求解起来相对简单。下一篇文章将举另外一个例子,在该例子中,加速度和约束力均未知,则求解起来会相对麻烦一些。