前言

在本文中，我們將使用VPS軟件(pam-crash)，模擬吹氣球的過程，其中涉及到以下幾個知識點：

1、材料問題，氣球是橡膠超彈材料，如何定義這種材料。

2、兩種方法，

方法一，將氣體流入簡化為均勻壓力載荷；

方法二，使用均壓氣囊法。這種方法與安全氣囊方法一致，從本方法中，大家可以學習安全氣囊建模的方法。

材料卡片

氣球網(wǎng)格為2D網(wǎng)格，材料對應的也需要采用2D材料。氣球的實際材料為橡膠，具有超彈材料的特性，因此本文選用了mat_121。

氣球材料卡片及材料參數(shù)

材料mat_121是一個粘彈性材料本構(gòu)模型，它采用的是Maxwell方程。Maxwell模型通過一個彈簧單元和一個阻尼單元串聯(lián)形成。

Maxwell材料模型

對于Maxwell模型，有以下關(guān)系：

在應變保持不變的基礎上，應力會逐漸變小趨向于0，這種現(xiàn)象我們稱之為應力松弛。Maxwell模型能夠較好地表征橡膠的應力松弛行為。

邊界條件設置

氣球吹起膨脹的過程，實際上是將氣體吹入氣球內(nèi)部，內(nèi)部壓力增大，向外膨脹的過程。因此，我們可以通過兩種方法來模擬這一過程，方法一是一種簡化的方式，既然本質(zhì)上是壓力增大，我們可以將模型簡化為表面壓力；方法二是采用均壓安全氣囊法，該方法與實際情況更加匹配。當然，既然是安全氣囊，同樣可以采用FPM法。

方法一

氣體流入簡化為壓力，只需要設置一個壓力卡片即可。

由于壓力是有方向的，在設置壓力之前，需要對模型的法向進行檢查，保證法向的一致性，并明確法向的方向。本模型中，氣球的法向是統(tǒng)一朝外的。

單元法向

VPS中，壓力方向與單元法向相反，因此，在設置壓力卡片時，輸入負值為法線方向，正值為法線負方向。

壓力載荷卡片

方法二

氣囊建?？梢允褂镁鶆驂毫Ψ?Uniform pressure) 和 FPM 方法 (Finite Point Method 有限點法)。本文將采用UP法進行氣囊建模。安全氣囊建模需要以下幾點的注意事項：

1、封閉腔室，

2、單元法向統(tǒng)一，且整體向外，

3、安全氣囊卡片內(nèi)參數(shù)與整體定義的單位系統(tǒng)要統(tǒng)一，

……

下圖所示是安全氣囊卡片的整體結(jié)構(gòu)：

安全氣囊卡片整體結(jié)構(gòu)

在氣囊建模之前，需要先對單元法向進行檢查，在方法一中，已經(jīng)做過該檢查，單元法向統(tǒng)一朝外，符合要求。因此，方法二的模型只需在方法一的模型中，添加氣囊相關(guān)關(guān)鍵字即可實現(xiàn)。

該氣囊模型只有一個單一的腔室，在氣囊關(guān)鍵字中，定義chamber和質(zhì)量流曲線即可。

最終定義好的氣囊卡片如下圖所示：

安全氣囊卡片

結(jié)果后處理

由這兩種不同的方法，均可以還原吹氣球的過程，動畫結(jié)果如下圖所示。

 

動畫結(jié)果(上：壓力載荷法，下：UP氣囊法)

通過動畫結(jié)果，可以看到兩種方法的區(qū)別：方法一，體現(xiàn)的是恒定壓力長時間作用下氣球膨脹的過程；方法二，體現(xiàn)的是在短時間內(nèi)，氣體流入氣球后，氣球膨脹的過程，方法二的結(jié)果更符合實際結(jié)果。

其計算得到的表壓結(jié)果如下圖所示。

Gauge_Pressure

結(jié)束語

本文采用了UP法進行氣囊建模。該方法，假設氣囊內(nèi)部是均壓的，基于理想氣體方程，也是某種程度簡化的模型。

除了用均勻壓力法，氣囊還可以使用FPM 方法。FPM法可以模擬出氣體粒子流動的過程，更加接近實際情況，但對該模型的精度并不會有更大的提升。只有在其他更復雜的氣囊模型中，我們才需要用FPM法來提升精度。當然，感興趣的同學，也可以試一下FPM法。

最后，嶄新的一年已經(jīng)開始了，祝大家在2024年都能實現(xiàn)自己的愿望。

希望優(yōu)秀的你，不要膨脹，不忘初心，繼續(xù)砥礪前行。

感謝閱讀！

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文字 · TechManLxs

校核 · Jason

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