空间运动多刚体系统动力学
力学学科分类---力学是从物理学中独立出来的一个分支学科
力学学科分类---力学是从物理学中独立出来的一个分支学科力学分类力学是研究物质机械运动的科学。
机械运动亦即力学运动,是物质在时间、空间中的集团变化,包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。
力学原是物理学的一个分支学科,当物理学摆脱了机械(力学) 的自然观而获得进一步发展时,力学则在人类生产和工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化和发展,而从物理学中独立出来。
它既是探索自然界一般规律的基础科学,又是一门为工程服务的技术科学,担负认识自然和改造自然的任务。
力学的研究对象是以天然的或人工的宏观的物质机械运动为主。
但由于本学科自身的发展和完善以及现代科技发展所促成的学科的相互渗透,有时力学也涉及微观各层次中的对象及其运动规律的研究。
机械运动是物质的最基本的运动形式,但还不能脱离其他运动(热、电磁、原子、分子运动及化学运动等) 形式而独立存在,只是在研究力学问题时突出地甚至单独地考虑机械运动形式而已。
如果需要考虑不同运动之间的相互作用,则力学与其他学科之间形成交叉学科或边缘学科。
力学产生很早, 古希腊的阿基米德(约公元前287 —212) 是静力学的奠基人。
在欧洲文艺复兴运动以后,人们对力和运动之间的关系逐渐有了正确的认识。
英国科学家牛顿继承和发展了前人的研究成果,提出了物体运动三定律,标志着力学开始成为一门科学。
到了20 世纪,力学更得到蓬勃的发展。
到目前为止,已形成了几十个分支学科,诸如一般力学、固体力学、结构力学、物理力学、流体力学、空气动力学、流变学、爆炸力学、计算力学、连续介质力学、应用力学、岩土力学、电磁流体力学、生物力学,等等。
为了充分发挥这些力学文献的作用,必须对其进行科学的分类。
本文拟对力学文献的分类标准、分类体系和分类方法进行研究。
一、力学文献的分类标准根据力学文献的属性,其分类标准很多,但根据读者(用户) 的检索需求和文献分类法的立类列类原则,主要采用以下9 种标准:1.1 根据研究对象分根据研究各种物体不同的运动,力学就形成了不同的分类。
《刚体动力学 》课件
牛顿第二定律
物体的加速度与作用在物 体上的力成正比，与物体 的质量成反比。
牛顿第三定律
对于任何两个相互作用的 物体，作用力和反作用力 总是大小相等，方向相反 ，作用在同一条直线上。
刚体的平动
刚体的平动是指刚体在空间中 的位置随时间的变化而变化， 而刚体的形状和大小保持不变
的运动。
刚体的平动具有三个自由度 ，即三个方向的平动。
05
刚体的动力学方程
刚体的动力学方程
牛顿第二定律
刚体的加速度与作用力成正比，与刚体质量 成反比。
刚体的转动定律
刚体的角加速度与作用力矩成正比，与刚体 对转动轴的转动惯量成反比。
刚体的动量方程
刚体的动量变化率等于作用力对时间的积分 。
刚体的自由度与约束
自由度
描述刚体运动的独立变量，如平动自由度和转动 自由度。
约束
限制刚体运动的条件，如固定约束、滑动约束等 。
约束方程
描述刚体运动受约束的数学表达式。
刚体的动力学方程的求解方法
解析法
通过代数运算求解动力学方程，适用于简单问 题。
数值法
通过迭代逼近求解动力学方程，适用于复杂问 题。
近似法
通过近似模型求解动力学方程，适用于实际问题。
06
刚体动力学中的问题与实例 分析
人工智能和机器学习的发展将为刚体 动力学的研究提供新的思路和方法， 有助于解决复杂动力学问题。
感谢您的观看
THANKS
船舶工程
在船舶工程中，刚体动力学 用于研究船舶的航行稳定性 、推进效率以及船舶结构的 安全性等。
兵器科学与技术
在兵器科学与技术领域，刚 体动力学用于研究弹药的发 射动力学、火炮的射击精度 和稳定性等。
[1273]《机械工程仿真软件应用》 20年春季西南大学作业答案
![[1273]《机械工程仿真软件应用》 20年春季西南大学作业答案](https://img.taocdn.com/s3/m/b62b19a47c1cfad6185fa713.png)
西南大学网络与继续教育学院课程代码： 1273 学年学季：20201单项选择题1、的自由度为（）。
. 0. 2. 4. 62、的自由度为（）。
. D. 4. 6. 8. 23、与圆柱铰自由度相同的约束是（）。
.空间滑移铰.平面铰.凸轮从动副.螺旋铰4、下列自由度最多的铰是（）。
.垂直约束.方向约束.平面相对等距约束.平行约束5、下列不属于铰的是（）。
.齿轮.垂直约束.齿轮副.点面约束6、该铰的自由度为（）。
. 6. 4. 0. 27、与垂直约束自由度相同的约束是（）。
.方向约束.点面约束.平行约束.固定铰8、的自由度为（）。
. 5. 3. 6. 09、与平面转动铰的自由度相同的铰是（）。
.平面滑移铰.点线约束.固定铰.点面约束判断题10、空间运动多刚体系统的动力学参数的定义和数值计算方法与平面运动多刚体系统相同。
. A.√. B.×11、机械系统刚体系动力学模型包括刚体、铰、外力与力元四个要素的定义。
. A.√. B.×12、钢性比为最低频率与最高频率的比值。
. A.√. B.×13、现代航天器是多个刚体和柔性体组成的系统。
. A.√. B.×14、接触问题不能视为接触力元。
. A.√. B.×15、点面约束为单方向相对转动约束。
. A.√. B.×16、机械系统动力学分析和运动学分析的目的是相同的。
. A.√. B.×17、动力学模型简化能提高计算效率。
. A.√. B.×18、空间相对等距约束含有2个独立方程。
. A.√. B.×19、合理定义组合铰不会减小数学模型的求解规模。
. A.√. B.×20、弹簧阻尼器是外力。
. A.√. B.×21、当部分的弹性变形与刚体运动相比可以不计时，依旧不能将这些柔性体视为刚体。
. A.√. B.×22、柔性多体系统的动力学参数定义与平面运动多刚体系统的动力学参数定义不同。
多体动力学的休斯敦方法及其发展
式中, v = V = L t ( K ) ; S = L (V ) ; L u ( K ) = 1。
vk =
dp k = { dt
S ∑ [SOα
t= u
0
mn
(qvn + svn ) + ( 19)
SO S m n svn ] + S O K m n rkn }n om
α
注意到
^
yl =
Ξvn 当 l = 1～ 3N
Fl = Fk
( 33)
式中, g 为 m × 1 列阵; B 为 m × n f 矩阵; y 为 n f × 1 列阵。 若取待定乘子为相应约束力和力矩分量为 Κ u , 可得广义约束力为
m
5vk + Mk 5y l
5Ξk 5y l
′ Fp =
∑Κb
u= 1
u up
p = 1, 2, …, nf
n jm = S J K m n n kn
= v。
由式 ( 6) ～ 式 ( 8) , 以上和式中任一相对角速 度皆可表示为
Ξk = ΞknS O J m n n om
^ ^
( 6)
( 14)
Байду номын сангаас
令 [ SO K ] 为 B k 体相对于 R 的变换矩阵, 有
[SO K ] =
0
由偏角速度定义
Ξk l =
由凯恩方程
F l + F3 l = 0 l = 1, …, n f
3
( 22)
若系统原有自由度数为 n f , 加上约束后自由 度数为 n f - m 。 式 ( 32) 写成矩阵形式
g = By
式中, F l 和 F l 分别为与广义坐标 x l 相关的广义 主动力和广义惯性力。 若作用于典型体 B k 的力系等效于通过质心 的力 F k 和转矩为 M k 的力偶组成的力系, 则对多 体系统
基于阅读机械臂研究的简单总结
基于阅读机械臂研究的简单总结1 机械臂研究的目的现今社会中要求的是生产规模扩大、自动化程度提高。
而机械臂作为物料搬运的重要设备在现代化建设、生产过程中发挥着越来越重要的作用。
并且在全球化的市场中, 激烈的国际、国内市场也越来越依赖于科学技术的竞争, 这些都是促使工程机械臂设计开发技术向大型化、高可靠性、高速化、自动化和智能化方向发展的原因。
工程机械臂的机械设计者面临着新的、更严格的挑战。
其主要问题即为随着机械臂机构速度的提高, 构件柔度的加大, 精度要求的增加, 工程机械臂生产运行时产生较大的惯性力, 会导致弹性部件的变形。
当臂架机构运动进入高速区域时, 只有将运动部件作柔性体的假设, 形成所谓的柔性机构。
此时, 由于机构部件间的刚体运动与其弹性变形賴合等问题, 动力学模型将变得很复杂, 给实际问题的解决带来很大的困难。
事实上关于柔性体运动与其自身变形的复合动力学问题已经是目前的普遍性的难题。
2 机械臂系统的研究现状在通过三遍文章的阅读中, 多体系统动力学是国内外研究工程机械臂架系统最普遍的多体系统。
多体动力学是力学一个新的并迅速发展的分支, 它是相互连接的机体系统运动的非线性动力学。
首先介绍多体系统动力学的国内外研究现状。
多体系统的物理模型定义为由物体铰力元和外力等要素组成且具有一定拓扑结构的系统, 多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学。
多体系统动力学: 包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。
多体系统动力学研究内容主要包括刚、柔体动力学建模理论及其计算方法、微分方程的数值求解、计算效率、机构综合分析、柔性效应、控制理论、优化方法、实时仿真虚拟样机技术、并行计算和可靠性等。
现在多体动力学已经形成了比较系统的分析和建模方法。
其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。
3 工程机械臂主要研究方向工程机械臂架系统是工程机械设计的关键, 机械臂系统的合理与否将直接关系到整个工程机械的性能以及作用。
多体系统动力学简介20081202
多体系统动力学简介多体系统动力学研究对象——机构工程中的对象是由大量零部件构成的系统。
在对它们进行设计优化与性态分析时可以分成两大类一类为结构——正常工况下构件间没有相对运动（房屋建筑，桥梁等）——关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定一类为机构——系统在运动过程中这些部件间存在相对运动（汽车，飞机起落架。
机器人等）——力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统多体系统动力学俄研究的对象——机构（复杂机械系统）不考虑系统运动起因的情况下研究各部件的位置与姿态及其变化速度和加速度的关系典型案例：平面和空间机构的运动分析系统各部件间通过运动副与驱动装置连接在一起数学模型：各部件的位置与姿态坐标的非线性代数方程，以及速度与加速度的线性代数方程当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力典型案例：机车或汽车中安装有大量的弹簧阻尼器，整车设计中必须考虑系统在静止状态下车身的位置与姿态，为平稳性与操纵稳定性的研究打下基础数学模型：非线性微分代数方程组讨论载荷和系统运动的关系研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是工程设计中的重要问题动力学正问题——已知外力求系统运动的问题动力学逆问题——已知系统运动确定运动副的动反力，是系统各部件强度分析的基础动力学正逆混合问题——系统的某部分构件受控，当它们按照某已知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动数学模型：非线性微分代数方程组机械系统的多体系统力学模型在对复杂机械系统进行运动学与动力学分析前需要建立它的多体系统力学模型。
对系统如下四要素进行定义：•物体•铰链•外力（偶）•力元实际工程中的机械系统多体系统力学模型的定义取决于研究的目的模型定义的要点是以能揭示系统运动学与动力学性态的最简模型为优性态分析的求解规模与力学模型的物体与铰的个数有关物体——定义多体系统中的构件定义为物体多体系统力学模型中物体的定义并不一定与具体工程对象的零部件一一对应。
基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真研究
基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真研究引言：机械传动系统是工程领域中常见的研究对象，它承担着将动力传递到工作负载的重要任务。
传统的基于静力学的机械传动系统分析方法已经无法满足复杂系统的需求，因此基于多体动力学的建模与仿真研究变得越来越重要。
本文将重点介绍基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真的研究进展，并讨论其在实际工程中的应用。
一、多体动力学基础多体动力学是研究物体在空间中运动和相互作用的学科。
在机械工程中，多体动力学方法应用于机械系统的动力学分析。
通过建立机械系统的动力学模型，可以分析和预测系统在不同工况下的动力学行为。
二、机械传动系统建模方法1. 刚体元件建模刚体元件是机械传动系统的基本组成部分，如齿轮、轴等。
在建立机械传动系统的多体动力学模型时，首先需要对这些刚体元件进行建模。
建模方法包括虚质点法、刚体元素法等。
建模时需要考虑物体的质量、惯性矩等参数。
2. 接触问题建模机械传动系统中，元件间的接触问题是一个重要的研究内容。
接触问题的建模方法包括刚体接触和弹性接触两种。
刚体接触建模假设接触面之间无滑动，而弹性接触建模则考虑接触面的弹性变形。
对于刚体接触问题，常用的建模方法有闭合链法和过程方法等。
3. 动力学约束建模机械传动系统中存在各种运动学和动力学约束，这些约束对系统的动力学行为具有重要影响。
建模时需要将这些约束纳入考虑，以得到准确的分析结果。
常用的建模方法包括拉格朗日乘子法和柯氏力法等。
三、机械传动系统仿真技术基于多体动力学的机械传动系统仿真技术包括动力学分析和运动轨迹仿真两个方面。
1. 动力学分析动力学分析通过求解动力学方程，得到系统在不同工况下的运动学和动力学响应。
多体动力学软件（如ADAMS和SIMPACK等）提供了方便的求解方法。
通过动力学分析，可以得到系统的动态特性，如系统的振动模态、动力学力矩等。
2. 运动轨迹仿真运动轨迹仿真是对系统运动过程进行可视化展示，通过仿真结果可以直观地了解系统的运动轨迹和运动特性。
多体系统动力学-张云清
多体系统动力学华中科技大学CAD中心张云清2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析多体系统动力学机械束一．机械铰链与约束方程二．运动学分析基础三．平面多体系统运动学四空间多体系统运动学四．空间多体系统运动学五．动力学分析方程两种形式六．平面多体系统动力学多体系动学七．空间多体系统动力学2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析机械铰链与约束方程•坐标系的分类•坐标系的变换•基本约束•平面铰链•空间铰链•自由度2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析•大地坐标系—惯性坐标系地坐标系坐标系•刚体固连坐标系—质心固连坐标系-主轴固连坐标系•铰链坐标系—铰链标架•力元坐标系—力元标架2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析cos sin θθ−⎡⎤=⎢sin cos A θθ⎥⎣⎦2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析基本约束•垂直1型约束•垂直2型约束2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析基本约束•平行1型约束•2平行型约束2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面铰链•转动铰链(Revolute Joint)•(Translational(Prismatic)Joint)平移铰链(Translational(Prismatic) Joint)2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析空间铰链•Spherical Joint）球铰（S h i l J i t•圆柱铰链（Cylindrical Joint）•Prismatic Joint平移铰链（Prismatic Joint）•转动铰链（Revolute Joint）2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析空间铰链•万向节（Universal (Hooke)Joint）向节（U i l(H k)J i •螺旋铰链（Screw Joint）2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析自由度•平面机构自由度2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析自由度•空间机构自由度2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析运动学分析基础•位置、速度、加速度方程•铰链的约束方程•驱动约束的方程运动学分析的计算方•运动学分析的计算方法2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析位置、速度、加速度方程•平面问题位置、速度、加速度方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析位置速度加速度方程位置、速度、加速度方程•空间问题位置、速度、加速度方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析位置、速度、加速度方程位置速度加速度方程•空间问题位置、速度、加速度方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析铰链的约束方程•Ground Constraints•Revolute Joint•Prismatic Joint2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析铰链的约束方程•Prismatic Joint2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析驱动约束的方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析运动学分析的计算方法2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析运动学分析的计算方法2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面运动学分析例子2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析•两自由度平面机械臂运动学分析•平面曲柄滑块机构运动学分析2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析•空间曲柄连杆机构运动学分析•空间四连杆机构运动学分析2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析动力学分析方程两种形式•最大量坐标形式—DAE方程•---ODE最小量坐标形式ODE方程•开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析最大量坐标形式—DAE方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析最大量坐标形式—DAE方程DAE2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析最小量坐标形式---ODE 方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析ODE 最小量坐标形式---ODE 方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析ODE 最小量坐标形式---ODE 方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析开闭环问题的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面多体系统动力学平面刚体的广义惯性力平面刚体的动力学方程受约束的平面刚体系统动力学方程受束学2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力cos sin sin cos A θθθθ−⎡⎤=⎢⎥⎣⎦sin cos cos sin A θθθθθ−−⎡⎤=⎢⎥−⎣⎦2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的广义惯性力-质心固连坐标系2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体系统动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析受约束的平面刚体的动力学方程2010-1-6机械系统动力学计算机辅助分析。
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多刚体系统动力学变分方程
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qT (M q Q) 0 7/16
多刚体系统动力学变分方程 qT (M q Q) 0
M k( 0 ) c M a
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F
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11/16
§4.6 空间并联机械臂动力学仿真
12/16
中心刚体高0.5m，底边 长0.0866m，质量 100kg， Jx=Jy=Jz=10kgm2
套筒长0.4m，钢，外圆 半径0.02m，内圆半 径0.01m
第四章 空间运动多刚体系统动力学
§4.1 刚体的质量几何 §4.2 刚体的动量、动量矩和动能 §4.3 刚体的牛顿－欧拉动力学方程 §4.4 空间运动多刚体系统动力学方程 §4.5 系统的外力和力元 §4.6 空间并联机械臂动力学仿真 §4.7 焊接机器人动力学仿真
1/16
第四章 空间运动多刚体系统动力学
机械臂长0.7m，钢，半 径0.01m
F 5N
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一、力学模型A ADAMS建模与仿真过程
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二、力学模型B ADAMS建模与仿真过程
15/16
三、两种模型的比较
16/16
§4.7 焊接机器人动力学仿真
六个构件：基座、肩部 、后臂、前臂、手腕、 手 五个驱动力偶作用
ADAMS建模与仿真过程
Bi的连体基 ei (xi yi z i )T
rCi
Bi的动力学变分方程
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主动力偶
M
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重力
F
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9/16
二、力元对主动力的贡献 线弹簧阻尼器和线马达
F
F
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F
F
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F
k(d
d0) c
dT vr d
Fa
F
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F
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10/16
卷弹簧阻尼器和马达
M Mp M Mp
17/16
多体系统动力学/空间运动多刚体系统动力学
18/16
中心惯性主轴 中心惯性矩
3/16
§4.2 刚体的动量、动量矩和动能
一、刚体的动量
pi mirCi
二、刚体的动量矩
pi mi rCi
LCi JCi i 三、刚体的动能
LCi JCii
Ti
1 2
mi rCi
rCi
1 2
i
JCi
i
Ti
1 2
mi rCTi rCi
1 2
iT
J
C ii
4/16
系统位形约束方程 (q,t) 0
速度约束方程 q q v 加速度约束方程 q q
系统封闭的动力学方程
M q
Tq 0
q
Q
微分－代ห้องสมุดไป่ตู้方程组
8/16
§4.5 系统的外力和力元 一、系统外力（偶）对主动力的贡献
主动力 Fik M Ci (Fik ) ik Fik
F
a i
F
k i
§4.1 刚体的质量几何 一、刚体的中心惯量张量
JCi e iT JCi e i
J11
J C i
J
21
J31
J12 J 22 J 32
J13
J
23
J33
惯性矩 惯性积
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二、惯性矩阵的变换
移点公式
JD i
JC i
mi
(
DT
i
D I i
D i
DT i
)
移轴公式
J Di Ai J D i AiT
§4.3 刚体的牛顿－欧拉动力学方程
dpi dt
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M Ci
M
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(JCi
i )
M Ci
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M
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§4.4 空间运动多刚体系统动力学方程 公共参考基 e (x y z)T