Planar Multibody Dynamics: Formulation. Programming with MATLAB® and Applications – Parviz E. Nikravesh – 2nd Edition

Descripción

La premisa básica de este libro de texto es presentar teorías fundamentales, computacionales y desarrollo de programas para analizar sistemas mecánicos planos simples a complejos. Tal combinación de teoría, métodos computacionales y programación no existía en ningún plan de estudios de mecánica hace cuatro décadas, pero desde entonces se ha convertido en un curso estándar en la mayoría de los programas.

A fines de la década de 1970, diferentes instituciones comenzaron a ofrecer cursos de posgrado sobre estos temas combinados. Poco después se publicaron varios libros de texto y monogramas, todos a nivel de posgrado. Eventualmente, capítulos seleccionados de estos libros se ofrecieron como cursos técnicos electivos en el nivel superior de pregrado y, poco después, algunos de estos temas se introdujeron en el nivel inferior, ya sea reemplazando o complementando algunos de los cursos más tradicionales.

La primera edición de este libro de texto que se publicó en 2008, fue el primer libro escrito específicamente para estudiantes universitarios e ingenieros en ejercicio. En el proceso de escribir la primera edición, tenía la intención de que el libro no se convirtiera en una versión más simple de un monograma de a nivel de posgrado. La primera edición cubrió tres métodos para formular las ecuaciones de movimiento cinemáticas y dinámicas, a saber, los métodos de coordenadas de puntos, coordenadas de cuerpos y coordenadas de articulaciones. Todas las metodologías para derivar las ecuaciones de movimiento se basaron en las leyes de movimiento de Newton, donde se evitó en la medida de lo posible el uso de principios de mecánica de nivel de posgrado. Los métodos de análisis que se describieron en la primera edición incluyeron cinemática, dinámica inversa y dinámica directa, además de otros procedimientos complementarios. Debido a su popularidad y facilidad de uso, se eligió ® como lenguaje de programación para el libro.

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  • Preface
    Acknowledgments
    Author
    1. Introduction
    1.1 Multibody Mechanical Systems1
    1.2 Types of Analyses
    1.3 Methods of Formulation
    1.4 Computer Programs
    2. Preliminaries
    2.1 Reference Axes
    2.2 Scalars and Vectors
    2.2.1 Arrays
    2.3 Matrices
    2.3.1 Matrix Operations
    2.3.2 Linear Algebraic Equations
    2.4 Vector, Array, and Matrix Differentiation
    2.4.1 Time Derivatives
    2.4.2 Partial Derivatives
    2.5 Equations and Expressions
    2.5.1 Compact and Expanded Forms
    2.6 Problems
    3. Fundamentals of Planar Kinematics
    3.1 A Particle
    3.1.1 Kinematics of a Particle
    3.2 Kinematics of a Rigid Body
    3.2.1 Coordinates of a Body
    3.2.2 Velocity of a Body
    3.2.3 Acceleration of a Body
    3.3 Definitions
    3.3.1 Array of Coordinates
    3.3.2 Degrees of Freedom
    3.3.3 Constraint Equations
    3.3.4 Kinematic Joints
    3.4 Problems
    4. Fundamentals of Planar Dynamics
    4.1 Newton’s Laws of Motion
    4.2 Particle Dynamics
    4.2.1 Dynamics of a System of Particles
    4.3 Rigid body Dynamics
    4.3.1 Moment of a Force and Torque
    4.3.2 Centroidal Equations of Motion
    4.3.3 Noncentroidal Equations of Motion
    4.4 Multibody Dynamics
    4.4.1 Applied Forces
    4.4.2 Reaction Forces
    4.5 Friction Force
    4.5.1 Wheel and Tire
    4.5.2 Motor and Driver
    4.6 Work and Energy
    4.7 Problems
    References
    5. Vector Kinematics
    5.1 Use of Vectors
    5.1.1 Unit Vectors
    5.1.2 Types of Vectors
    5.2 Open-Chain Systems
    5.3 Closed-Chain Systems
    5.3.1 Slider-Crank Mechanism
    5.3.2 Four-Bar Mechanism
    5.3.3 Six-Bar Quick-Return Mechanism
    5.3.4 Six-Bar Dwell Mechanism
    5.3.5 Complete Kinematic Analysis
    5.4 Problems
    6. Free-Body Diagram
    6.1 FBD Examples
    6.1.1 Two-Body System (Unconstrained)
    6.1.2 Two-Body System (Constrained)
    6.1.3 Sliding Pendulum
    6.1.4 Slider-Crank Mechanism
    6.1.5 Four-Bar Mechanism
    6.2 Equations of Motion
    6.3 Force Analysis
    6.3.1 Slider-Crank Mechanism
    6.3.2 Four-Bar Mechanism
    6.3.3 Generalization of Force Analysis
    6.4 Problems
    7. Body-Coordinate Formulation
    7.1 General Procedure
    7.2 Kinematic Joints
    7.2.1 Revolute (Pin) Joint
    7.2.2 Translational (Sliding) Joint
    7.2.3 Revolute–Revolute Joint
    7.2.4 Revolute–Translational Joint
    7.2.5 Rigid Joint
    7.2.6 Simple Constraints
    7.2.7 Circular Disc
    7.2.8 Driver Constraints
    7.2.9 System Jacobian
    7.3 Unconstrained Equations of Motion
    7.4 Constrained Equations of Motion
    7.4.1 Reaction Forces and Lagrange Multipliers
    7.5 Total Energy
    7.6 Problems
    8. Body-Coordinate Simulation Program
    8.1 Application Examples
    8.1.1 Double A-Arm Suspension
    8.1.2 MacPherson Suspension
    8.1.3 Cart
    8.1.4 Conveyor Belt and Friction
    8.1.5 Rod Impacting Ground
    8.2 Problems
    9. Joint-Coordinate Formulation
    9.1 Definitions
    9.1.1 Joint Coordinate and Joint Reference Point
    9.1.2 Recursive Kinematics
    9.2 Open-Chain Systems
    9.2.1 Absolute Angle
    9.2.2 Equations of Motion
    9.3 Closed-Chain Systems
    9.3.1 Cut-Joint Constraints
    9.3.2 Equations of Motion
    9.3.3 Jacobian Matrix
    9.3.4 Initial Conditions
    9.3.5 Reaction Forces
    9.3.6 Driver Constraint
    9.4 A MATLAB Program
    9.5 Problems
    10. Point-Coordinate Formulation
    10.1 Classical Method
    10.2 Primary and Stationary Points
    10.3 Constraints
    10.3.1 Length Constraint
    10.3.2 Angle Constraints
    10.3.3 Simple Constraints
    10.4 Secondary Points
    10.5 Equations of Motion
    10.6 Force and Torque Distribution
    10.7 Mass Distribution
    10.8 Mass Condensation
    10.8.1 Two Primary Points
    10.8.2 Three Primary Points
    10.9 Force and Mass Addition
    10.10 Problems
    11. Contact and Impact
    11.1 Piecewise Analysis
    11.1.1 Momentum
    11.1.2 Impact of Particles
    11.1.3 Unconstrained Bodies
    11.1.4 Constrained Bodies
    11.1.5 Impact with Friction
    11.2 Continuous Analysis
    11.2.1 A Body Contacting a Rigid Surface
    11.2.2 Two-Body Contact
    11.3 Problems
    References
    12. Kinematics and Inverse Dynamics
    12.1 Kinematic Analysis
    12.1.1 Solution Procedures
    12.1.2 Nonlinear Algebraic Equations
    12.1.3 A Program for Four-Bar Kinematics
    12.2 Inverse Dynamic Analysis
    12.2.1 A Program for Four-Bar Inverse Dynamics
    12.2.2 Application in Robotics
    12.3 Problems
    Reference
    13. Forward Dynamics
    13.1 Unconstrained Formulation
    13.1.1 Initial Value Problem
    13.1.2 Runge–Kutta Algorithm
    13.1.3 Integration Time-Step Size
    13.1.4 General Procedure
    13.2 Constrained Formulation
    13.2.1 Initial Conditions
    13.2.2 General Integration Procedure
    13.3 Constraint Violation
    13.3.1 Constraint Violation Stabilization Method
    13.3.2 Coordinate Partitioning Method
    13.3.3 Penalty Method
    13.3.4 Joint-Coordinate Method
    13.3.5 Momentum Method
    13.4 Contact and Impact
    13.5 Adding or Deleting Constraints
    13.6 Combined Analyses
    13.7 Problems
    References
    14. Complementary Analyses
    14.1 Static Analysis
    14.2 Static Equilibrium
    14.3 Initial Condition Correction
    14.4 Redundant Constraints
    14.5 Friction
    14.6 Deformable Body
    14.7 Problems
    15. Application Examples
    15.1 Film-Strip Advancer
    15.2 Web-Cutter Mechanism
    15.3 Six-Bar Quick-Return Mechanism
    15.4 Six-Bar Dwell Mechanism
    15.5 Windshield Wiper Mechanism
    15.6 Double A-Arm Suspension
    15.7 MacPherson Strut Suspension
    15.8 Half-Car
    15.9 Mountain Bike
    15.10 Motorcycle
    15.11 Dump Truck
    15.12 Creeping Robot
    15.13 Sled Test and Belted Dummy
    15.14 Head and Neck
    15.15 Elliptical Exercise Machine
    15.16 Swing
    15.17 Satellite Panels
    Appendix A: L-U Factorization
    Appendix B: Dynamic Analysis Program: Body Coordinates (DAP_BC)
    Appendix C: Dynamic Analysis Program: Joint Coordinates (DAP_JC)
    Index
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