1、,虚位移原理,引 言, 虚位移原理是应用功的概念分析系统的平衡问题， 是研究静力学平衡问题的另一途径。对于只有理想约束 的物体系统，由于求知的约束反力不作功，有时应用虚 位移原理求解比列平衡方程更方便。, 虚位移原理与达朗伯原理结合起来组成动力学普遍 方程， 又为求解复杂系统的动力学问题提供另一种普遍 的方法。这些理论构成分析力学的基础。,17-1 约束及其分类,约 束物体运动所受到的限制,1. 几何约束与运动约束,几何约束,在质点系中，所加的约束只能限 制各质点在空间的位置或质点系的 位形。,运动约束,在质点系中，所加的约束不仅限制各质点在空间的位置，还限制它们运动的速度。,2. 定常约束与
2、非定常约束,定常约束约束方程中不显含时间的约束：,非定常约束约束方程中显含时间的约束：,3. 单面约束与双面约束,双面约束 约束方程可以写成等式的约束。,单面约束 约束方程不能写成等式、但是可以写成不等式的约束。,单面约束还是双面约束？,约束方程？,3. 单面约束与双面约束,4. 完整约束与非完整约束,完整约束 约束方程不包含质点速度，或者包含质点 速度但约束方程是可以积分的约束。,非完整约束 约束方程包含质点速度、且约束方程不 可以积分的约束。,4. 完整约束与非完整约束,约束方程不可积分，所以导弹所受的约束为非完整约束。,圆轮所受约束为完整约束。,17-2 广义坐标与自由度,广义坐标 确定
3、质点 系位形的独立参变量。,广义坐标 确定质点系位形的独立参变量。用 q1，q2，表示。,自 由 度 在完整约束条件下，确定质点系位置的独立参变量的数目等于系统的自由度数。,对于稳定的完整约束，各质点的坐标可以写成广义坐标的 函数形式,N=3ns,17-3 虚位移和理想约束,1. 虚 位 移,质点系在给定瞬时，为约束所允许的无限小位移虚位移,（1）虚位移是假定约束不改变而设想的位移；,（2）虚位移不是任何随便的位移，它必须为约束所允许；,（3）虚位移是一个假想的位移，它与实位移不同；,（4）在完整定常约束下，虚位移方向沿其速度方向。,虚位移与实位移的区别和联系,（1）在完整定常约束下，实位移是
4、诸多虚位移中的一个；,dr 实位移, r 虚位移,实位移质点或质点系在其真实运动中，在一定的时间间 隔内发生的位移。,（2）在完整定常约束下，虚位移方向沿其速度方向。,2. 虚 功,质点或质点系所受的力在虚位移上所作的功虚功。, W = F r,3. 理想约束,质点或质点系的约束反力在虚位移上所作的虚功等于零，我们把这种约束系统称为理想约束。, W = M ,FNi ri = 0,17-4 虚位移原理,Fi 主动力,FNi约束反力, ri虚位移,Fi + FNi = 0,Fi ri + FNi ri = 0,Fi ri + FNi ri = 0,FNi ri = 0,Fi ri = 0,对于具
5、有理想约束的质点系，其平衡条件是：作用于质点系的主动力在任何虚位移中所作的虚功的和等于零虚位移原理,Fi ri = 0,上式称为虚位移原理的解析表达式,应用虚位移原理解题时，主要是建立虚位移间的关系，通常采用以下方法：,（1）通过运动学关系，直接找出虚位移间的几何关系；,（2）建立坐标系，选广义坐标，然后仿照函数求微分的方法对坐标求变分，从而找出虚位移（坐标变分）间的关系。,解： 取系统为研究对象,Fi ri = 0,由运动学关系可知：,解： (1) 取系统为研究对象,(2) 建立虚位移间的关系,解法二： 取建立图示坐标系,解： (1) 取系统为研究对象,由运动学关系可知：,解： (1) 建立
6、图示坐标系,(2) 系统的虚功方程,(2) 系统的虚功方程,解： (1) 解除D处约束， 代之以反力FD ，并将 其视为主动力。,其中,解得,(2) 解除B处约束，代之以反力FB ，并将其视为主动力。,其中,解得,由虚功方程，得,代入虚功方程，得,(3) 解除A处约束，代之以反力FA ，并将其视为主动力。,由虚功方程，得,其中,代入虚功方程，得,解得,17-5 用广义坐标表示的质点系平衡条件, qk广义虚位移,Qk广义力,Q1 = Q2 = = Qk =0, 质点系的平衡条件是所有的广义力都等于零,令,广义力的计算方法,1. 按定义计算,2. 用一组特定的广义坐标变分来计算,解法一： 按定义计
7、算，取1 、 2为系统的广义坐标。,解得,解法二：（1）令：1 0 ，2= 0,解得,（2）令：1 = 0 ，2 0,解得,解：（1）令：1 0 ，2= 0,解得,解：（2）令：2 0 ，1= 0,由运动学关系可知：,解得,17-6 质点系在有势力作用下的平衡问题,1. 平衡条件,某质点系由n 个质点组成，内有d 个完整、定常的理想约束，处 于势力场中。作用在各质点上的主动力 Fi 都是有势力，因此，该 质点系是保守系统，它的势能函数 V 可以表示为各质点坐标的函 数，即,这些主动力 Fi 主可以有势能函数对坐标的偏导数表示，即,将上式代入虚功方程，得,上式表明，在势力场中，具有完整、定常的理
8、想约束的质点系 其平衡的充分必要条件是：该质点系势能的一阶变分等于零。,当选择广义坐标，则直角坐标表示的势能函数可改写为用广义 坐标表示的势能函数,因此用广义坐标表示的平衡条件可写成如下形式：,2. 平衡稳定性的概念,（a）稳定平衡,（b）非稳定平衡,（c）随遇平衡。,3. 单自由度系统平衡稳定性质的判别方法,平衡位置：,解：取为 其广义坐标，建立图示坐标系。,研究：1、应用势能驻值定理，确定跷板的可能平衡位形；,2、应用机械能守恒确定跷板作二维微振动的振动方程；,3、确定二维微振动的固有频率与运动稳定性条件。,如图所示为玩具跷板简图。在不计质量的木钉上固结两个与木钉夹角为 的刚性臂。臂端分别
9、安装的质量均为 m 的小球。两臂等长均为。钉长OAd ，分别与两臂所夹 角的范围 。 将木钉的尖端O放置在柱形支承的表面，玩者可随意让跷板旋转或摆动。,跷 板,解：一般情形下，跷板绕点O作定点运动。本例主要研究二维运动，因此，这是一个自由度的理想约束系统。取为广义坐标。,以支点O作为零势能位置,1. 跷板的静平衡位置,2. 跷板的二维微振动方程,为了计算系统的动能，令l1为每个小球到支点O 的距离，,系统的总动能为,系统的总势能为,由系统的机械能守恒，得,将上式对时间求导，并注意到：,得跷板的二维微振动方程,3. 跷板的固有频率,结论与讨论,1. 虚 位 移,质点系在给定瞬时，为约束所允许的无
10、限小位移虚位移,作用在质点上的力在虚位移上所做的功虚功,2. 理想约束,质点或质点系的约束反力在虚位移上所作的虚功等于零，我们把这种约束系统称为 理想约束。,Fi ri = 0,具有理想约束的质点系，其平衡条件是：作用于质点系的主动力在任何虚位移中所作的虚功的和等于零虚位移原理,3. 虚位移原理,通常用虚位移原理求解机构中主动力的平衡问题。解除约束， 代之以约束反力， 并将此约束反力当作主动力，可和其它主动 力一起应用虚位移原理求解。,（1）通过运动学关系，直接找出虚位移间的几何关系；,（2）建立坐标系，选广义坐标，然后仿照函数求微分的方法对坐标求变分，从而找出虚位移（坐标变分）间的关系。,5. 建立虚位移关系间的方法,4. 广义坐标与自由度,广义坐标 确定质点系位形的独立参变量。用 q1，q2，表示。,自 由 度 在完整约束条件下，确定质点系位置的独立参变量的数目等于系统的自由度数。,6. 用广义坐标表示的质点系平衡条件,平衡条件： Q1 = Q2 = = Qk =0,广义力：,7. 质点系在有势力作用下的平衡问题,如果作用于质点系的力都是有势力，势能为，则系统的广义力 可写为,平衡的稳定性：,平衡位置：,谢谢大家,返回本章目录页,
