Computer aided kinematics and dynamics of mechanical systems: Basic methods, 第 1 卷 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Allyn and Bacon, 1989

作者:Edward J. Haug

出品人:

页数:498

译者:

出版时间:1989

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780205120970

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机械系统运动学与动力学：高级主题与应用 本书重点关注经典计算辅助运动学与动力学方法的基础性内容之外的、更深层次、更前沿的理论框架与实际工程应用。它旨在为那些已经掌握了基础理论，渴望深入理解复杂多体系统行为、先进建模技术以及现代仿真与优化策略的研究人员、高级工程师和研究生提供一个全面而深入的参考。 本书假设读者已经熟悉拉格朗日-欧拉方程的推导、基本的约束处理技术以及经典的数值积分方法。在此基础上，我们将探讨超越标准教科书范围的、对现代机械设计至关重要的先进主题。 第一部分：高级建模与理论深化 第 1 章：复杂约束系统的几何与代数建模 本章深入探讨了在传统方法中难以处理的、高度非线性和耦合的约束系统。我们将详细分析非完整约束（Nonholonomic Constraints）在高维空间中的表达与求解策略。这包括对微分代数方程（DAEs）组的深入理解，尤其关注其奇异性、约束赤化（Constraint Redundancy）的识别与消除。 微分代数方程组的结构分析： 探究 DAEs 的指数（Index）分类，以及如何通过坐标变换或微分技术将其转化为常微分方程（ODEs）形式，以提高数值求解的稳定性与效率。 广义坐标选择与坐标无关性： 讨论如何选择最能反映系统物理特性的广义坐标，以及如何利用李群理论（Lie Group Theory）来处理旋转和刚体运动的约束，确保模型在数学上的内在一致性。 接触与碰撞处理的先进技术： 聚焦于非光滑动力学（Nonsmooth Dynamics）领域。介绍基于互补问题（LCP）的碰撞检测与响应模型，如塑性碰撞模型和摩擦接触的库仑模型在数值环境中的实现细节。 第 2 章：柔性多体动力学（Flexible Multibody Dynamics, FMBD）的积分与耦合 本书超越了理想刚体假设，将构件的弹性变形纳入运动学与动力学分析框架。本章的核心是探讨如何有效地将结构力学模型与刚体运动方程耦合起来。 基于变形模式的建模方法（Mode Superposition）： 详细分析基于特征向量展开的柔性建模方法（如基于欧拉-伯努利梁理论或更高阶壳单元的模态分析结果）。讨论模态截断误差的量化与控制。 一致性与非一致性耦合方案： 深入比较“浮动坐标系法”（Floating Frame of Reference Formulation, FFRF）和“分布式参数法”（Distributed Parameter Methods）在处理大型变形与小变形耦合时的优劣。重点分析应变张量的准确表达在几何非线性中的作用。 耦合系统的稳定性分析： 探讨柔性振动与刚体运动之间的能量传递和能量耗散问题，引入李雅普诺夫稳定性理论来评估高频柔性模态对系统整体动态行为的影响。 第二部分：计算方法与数值稳定性 第 3 章：先进的数值积分与时变系统求解 高效且可靠的数值积分是复杂动力学仿真的基石。本章专注于处理高频、非线性和含有冲击的动力学系统所需的专业积分器。 隐式与显式方法的比较与改进： 对经典的龙格-库塔法（RK4）及其隐式扩展（如Gauss-Legendre方法）进行深入剖析。重点讨论如何改进隐式方法，使其在处理约束系统时能够保持约束条件（如能量守恒或约束方程的零残差）。 因子化方法与求解代数方程组： 探讨使用投影法、修正坐标法等因子化技术来显式地维持约束，并分析这些方法在计算效率和精度上的权衡。特别关注基于牛顿-拉夫森迭代的求解器在面对大规模稀疏矩阵时的性能优化。 时变刚度矩阵的处理： 在处理涉及运动铰链或快速变化的拓扑结构（如机器人在障碍物上的运动）时，如何对时间依赖的刚度矩阵进行有效分解和迭代求解，以避免每次时间步都进行昂贵的全矩阵分解。 第 4 章：不确定性量化与鲁棒动力学分析 现实世界的机械系统总是受到参数不确定性（如材料特性、制造误差）和外部扰动的影响。本章侧重于如何将概率论和统计学工具引入动力学分析。 随机过程在激励建模中的应用： 如何使用白噪声、有色噪声模型来精确描述环境的随机激励，并将其转换为动力学方程中的随机项。 不确定性传播与敏感性分析： 介绍蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）在高维动力学系统中的应用瓶颈，并详细阐述如基于多项式混沌展开（Polynomial Chaos Expansion, PCE）的方法，用于高效地将输入不确定性映射到输出概率分布。 鲁棒控制与优化设计接口： 讨论如何利用系统对参数变化的敏感性信息，指导结构优化或控制律的设计，确保系统在预期的参数误差范围内仍能保持所需的性能指标（如最大位移限制或振动幅度）。 第三部分：高级应用与系统集成 第 5 章：面向实时仿真的模型简化与降阶 对于需要与硬件进行闭环控制（如硬件在环 HIL 测试）的复杂系统，全阶模型计算成本过高。本章探讨高效的模型简化技术。 模态截断的替代方案： 深入分析平滑正交网络（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法在动力学系统中的应用，如何从高保真仿真数据中提取出最能代表系统动态特性的低维子空间。 模态空间中的常微分方程推导： 详细说明如何将原始的 DAEs/ODEs 投影到简化的模态空间中，并处理投影过程中产生的非线性残余项（Projection Residuals）的修正策略。 基于能量的简化： 探讨如何通过识别系统的能量捕获子系统和能量耗散子系统，实现有物理意义的局部降阶，尤其适用于包含大量轻量化柔性部件的系统。 第 6 章：多尺度与多物理场耦合动力学 现代工程系统常常需要同时考虑机械运动、热效应、电磁效应等多个物理域的相互作用。 热-机械耦合分析： 分析由于高速运动或制动产生的温度变化如何影响材料的弹性模量和阻尼特性，并将其反馈到刚度矩阵中。介绍时间尺度的差异如何影响数值求解的策略（慢尺度热场与快尺度机械振动）。 电磁驱动与反馈系统的整合： 讨论如何将永磁同步电机（PMSM）的电磁模型与机械系统的动力学模型耦合。重点分析磁力矩波动作为外部激励对系统振动的影响，以及控制回路的动态特性如何影响整体稳定性。 数值方法的兼容性： 探讨在不同物理场中使用不同求解步长和精度的数值方法（如显式法处理机械，隐式法处理热传导）时，如何实现精确且稳定的时间同步与数据插值。 本书通过这些高级主题的系统阐述，旨在推动读者从“如何计算”深入到“如何设计与优化”的层面，为解决当前工程中最具挑战性的多体系统动力学问题奠定坚实的理论基础。

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一本对于深入理解机械系统动力学原理至关重要的书籍。作者在这本书中，以一种非常系统化的方式，构建了对复杂机械系统进行建模和分析的理论框架。书中对能量守恒、动量守恒等基本物理原理的阐述，与具体的运动学和动力学方程的推导紧密结合，使得读者能够深刻理解不同分析方法之间的内在联系。我印象深刻的是，书中对于非完整约束和含时约束的处理，这在很多初级教材中往往被一带而过，但在这本书中却得到了非常详细和深入的讲解，并且提供了相应的求解策略。这对于我进行更高级的机械系统分析，例如仿人机器人或飞行器动力学研究，提供了重要的理论支撑。作者在数学推导的严谨性上做得非常出色，每一处细节都力求清晰明了，并且给出了大量的参考文献，鼓励读者进行更深入的探索。这本书并非易读，需要读者具备一定的数学和物理基础，但一旦你投入时间去研读，你会发现这本书的回报是巨大的。它能够让你在理解机械系统动力学方面，达到一个全新的高度，并且能够自信地应对那些更具挑战性的工程问题。

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一本令人惊喜的初学者的入门读物，这本书的标题虽然听起来有些吓人，但是读起来却异常的流畅和易懂。作者似乎非常有经验，能够将那些本来可能令人望而却步的复杂概念，用非常清晰、直观的方式呈现出来。我尤其欣赏书中对基础概念的深入讲解，例如虚拟位移和虚功的引入，以及它们如何巧妙地简化了动力学分析的整个过程。书中并没有一开始就堆砌大量的数学公式，而是循序渐进，通过大量的图示和简单的算例来帮助读者建立直观的理解。那些对于我来说，过去一直是模糊不清的抽象概念，在这本书里变得异常清晰。举例来说，书中对于自由度和约束的讲解，我之前在其他地方看到过，但总觉得有些零散，而这本书则将它们系统地梳理了一遍，让我明白了它们在实际问题中的作用。而且，作者在讲解过程中，非常注重理论与实际的联系，虽然这是基础卷，但你能感受到作者是在为更复杂的应用打下坚实的基础。读这本书的过程，就像是在一个经验丰富的向导的带领下，在 kinematics 和 dynamics 的世界里进行一次愉快的漫步，而不是在迷宫中艰难跋涉。对于那些初次接触这个领域的学生或工程师来说，这本书绝对是一个绝佳的起点，它能够让你在不感到压力的前提下，快速建立起扎实的基础知识体系。

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这是一本充满了哲学思考和教学智慧的书籍。作者并非简单地罗列公式和算法，而是深入探讨了“为何”以及“如何”进行机械系统的运动学和动力学分析。书中对于分析方法的选择和权衡，以及不同方法之间的优劣势对比，都进行了非常深刻的讨论。我尤其欣赏作者在讲解过程中所展现出的对教学对象的同理心，他似乎总能预见到读者可能会遇到的困难，并提前给出提示或解释。例如，在讨论如何处理自由度和约束时，作者用了大量的篇幅来解释不同约束类型对系统自由度的影响，并提供了多种可视化工具的建议，这对于我理解这个抽象的概念帮助极大。这本书让我不再仅仅是死记硬背公式，而是真正理解了这些公式背后的物理原理和数学逻辑。它鼓励我从更宏观的角度去审视问题，思考不同分析方法的适用场景，以及如何根据具体问题选择最合适的工具。对于那些希望深入理解机械系统分析本质，而不仅仅是停留在表面计算的读者来说，这本书无疑是一份宝贵的礼物。它能够激发你的思考，培养你的洞察力，让你在面对复杂问题时，拥有更强的自信和更清晰的思路。

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这本书在提供清晰的数学推导和算法描述的同时，还非常注重概念的直观理解。作者善于利用类比和实际工程中的例子，将抽象的运动学和动力学原理具象化，让读者能够更容易地掌握。我特别喜欢书中对于雅可比矩阵和海森矩阵在动力学分析中的应用的讲解。作者没有简单地给出公式，而是详细解释了它们在描述系统状态变化和能量特性方面的作用，并且通过生动的图示，帮助我理解了这些矩阵的几何意义。此外，书中对于不同求解方法的对比分析，也让我受益匪浅。例如，在求解多体系统的动力学方程时，作者对比了直接积分法和基于能量的解法，并分析了它们在不同情况下的优劣，这为我选择合适的数值求解方法提供了重要的参考。这本书的优点在于其平衡了理论的深度和教学的易懂性，它既能满足学术研究的需求，也能为工程实践提供指导。对于那些希望将理论知识转化为实际应用，并且追求高效和精确的读者来说，这本书无疑是一个绝佳的选择。它能够帮助你建立起扎实的理论基础，并为你解决实际工程问题提供强大的工具和信心。

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一本极其有深度和广度的参考书籍，它不仅仅是简单的理论堆砌，更像是一本工具箱，为我解决实际工程问题提供了丰富的思路和方法。书中的章节安排非常合理，从基础的运动学分析，到更复杂的动力学建模，每一个部分都讲解得鞭辟入里。我特别喜欢其中关于牛顿-欧拉方法和拉格朗日方程在机器人和机械臂分析中的应用的详细阐述。作者在处理复杂系统时，展现出了非凡的洞察力，能够将多体系统的运动和力学行为分解成易于管理的部分。书中提供的推导过程清晰且严谨，让我能够追踪每一个数学步骤的来源，并且理解其背后的物理意义。我曾经遇到过一个关于连杆机构动力学仿真的问题，尝试了多种方法都未能达到理想效果，但在这本书中，我找到了非常相似的案例分析，并且作者提供的算法步骤让我茅塞顿开，最终成功解决了我的问题。这本书的价值在于其高度的实用性和理论深度相结合，它不仅仅是让你理解概念，更是让你能够将这些概念应用于解决实际工程挑战。对于那些需要进行复杂机械系统建模和仿真的工程师和研究人员来说，这本书绝对是不可或缺的宝贵资源，它能够极大地提升你的分析能力和问题解决效率。

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