小球落體
關注創建者：仿真專業 創建時間：2020-03-08
小球落體的視頻教程
NX Nastran 小球下落運動仿真(Simcenter 3D)
視頻詳細再現了在NX Nastran中進行小球落體運動的仿真，希望對在Simcenter 3D中進行的跌落和碰撞之類的大位移運動仿真具有一定啟發。
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小球落體的實例教程
該案例僅作簡單介紹，后續可以運用到小球自由落體入水、船舶出入水、水上飛機出入水等多種案例的計算。
1 workbench 設置
1.1 選擇以下三個模塊進行流體計算
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
依據相關實驗進行幾何劃分，具體尺寸如下圖。
3 FLUENT 設置
3.1 General設置
由于是瞬態態求解問題，此處設置為穩態計算模式。并開啟相關的重力選項。
3.2 網格導入
由于運用了重疊網格技術，因此導入方式有所不同。
首先導入背景網格，其次導入前景網格，前景網格導入方式如下圖。
3.3 材料定義
本案例模擬圓柱入水，因此選擇的材料為水。
3.4 模型設置
并開啟VOF多相流模型。VOF模型設置如下，并開啟表面張力，水的表面張力系數定義為常數0.072。
湍流模型選擇k-e模型。
3.5 圓柱運動設置
對前景網格進行運動設置，采用網格運動的方式，本案例以實驗中的0.5124m/s展開計算。具體的輸入如下圖所示。
3.6 邊界條件設置
此處進行邊界條件設置，上邊界設置為壓力出口，下邊界設置為速度進口。前景網格外邊界設置為overset邊界。
3.7 初始化設置
首先進行初始化設置，此處采用標準初始化，相2的體積分數設置為1。
然后進行局部初始化設置，局部初始化前對水域進行網格標記，標記方式如下圖。
標記成功后進行局部初始化的設置。
3.8 計算設置
進行初始化后，設置時間步長0.0001，計算步5000步。
開啟抨擊力監測，對圓柱入水抨擊系數展開監測。
3.9 后處理設置
對計算完成后的圓柱恒定速度入水動畫進行繪制。
展開 ABAQUS碰撞 (例1) 小球沖擊碰撞含鍍層金屬材料 ￥33.34
ABAQUS碰撞 (例1) 小球沖擊碰撞含鍍層金屬材料
模型背景：
該模型模擬了金屬小球在自由落體運動下對含鍍層金屬材料的沖擊影響。
模型材料：
金屬材料的鍍層為陶瓷，基底為碳鋼Q235。
模擬結果：
提取整個碰撞過程中含鍍層金屬材料的應力應變，塑性應變能以及碰撞的接觸力。
碰撞過程中的應力分布圖
碰撞過程中的應變分布圖
小球在彈簧頂端的木塊上的彈性跳動問題
——問題描述
最近做了個小項目，是關于用Matlab解決小球碰撞問題的，覺得這個例子對用Matlab解微分方程有啟發性的作用。我將以系列課程的形式寫出來與大家分享。通過該案例，你將了解用Matlab解微分方程的基本過程，同時對Matlab函數（function）功能，odefile模板，繪圖技巧將有更深層次的認識。閑話不多說，今天先把這個案例的理論基礎與全部代碼分享給大家。
圖1.實體模型
如圖1所示，實體模型由兩部分組成，一是小球，二是底面連接彈簧的木板。小球從高為h的位置自然下落后撞擊在木板上，此后，木板因為受沖擊往下運動，小球與木板撞擊后向上運動，如果忽略一切摩擦力，則小球與木板會一直運動下去。我們首先建立坐標系，以彈簧自然伸長位置的上端作為坐標原點，y軸豎直向上，m1，m2分別表示小球與木塊的質量，h為小球自由落體的高度，k為彈簧的彈性模量，如下圖所示。
圖2.參考坐標系建立
為了分析整個運動過程，把運動分為兩個部分：
部分一：小球與木板沒有接觸時
該情況下，根據各自的受力情況，列出方程組（1）：
（1）
其中，y1，y2分別為小球和木塊的位移，g為重力加速度。
展開 基本建模，建立四個球體，從上到下分別為Part_a，Part_b，Part_c，Part_d，其中前兩個與大地建立水平滑移副，后兩個與大地建立固定副，并且前兩個在質心處作用水平力，分別為200N，100N(后繼互換)，由于重力加速度豎直向下，固定副解鎖后會自由落體，以表征sensor事件觸發后的動作。最后分別定義兩個sensor，事件函數分別為a，b兩球的水平速度，比較值分別為10米每秒和15米每秒，由于這里長度采用毫米為單位注意轉化。
圖 3基本模型
建立的sensor，由于要和回調函數聯合應用，此時要求sensor必須有一個觸發后的動作，因此，sensor_2類似于sensor_1具體如下：
圖 4左側為sensor定義，右側為觸發后的動作
這里選擇了最后一個動作，其實程序并不關注這個動作的數值是什么，只關注有沒有這個動作。通過命令庫找到Callback的定義項，完成回調對象的定義，如下所示：
圖 5回調對象定義
還需完成與傳感器對應的Acf文件的創建，這里有兩個傳感器，因此定義兩個Acf文件，具體如下：
圖 6Acf文件定義
定義該文件需要注意其名稱以及同sensor的ID號之間的聯系，這個在源程序中以有過說明。實現的目的，當sensor_1觸發后將3號joint抑制，也即part_c小球之后會自由落體；當sensor_2觸發后將4號joint抑制，也即part_d小球之后會自由落體。當然，將各自的sensor在觸發后關閉。
提交仿真，可以使用交互式仿真也可以使用腳本計算，但是如果使用腳本計算要注意不能再有對傳感器的操作，因為本案例找的就是傳感器觸發事件。
展開 基本建模，建立四個球體，從上到下分別為Part_a，Part_b，Part_c，Part_d，其中前兩個與大地建立水平滑移副，后兩個與大地建立固定副，并且前兩個在質心處作用水平力，分別為200N，100N(后繼互換)，由于重力加速度豎直向下，固定副解鎖后會自由落體，以表征sensor事件觸發后的動作。最后分別定義兩個sensor，事件函數分別為a，b兩球的水平速度，比較值分別為10米每秒和15米每秒，由于這里長度采用毫米為單位注意轉化。
圖 3基本模型
建立的sensor，由于要和回調函數聯合應用，此時要求sensor必須有一個觸發后的動作，因此，sensor_2類似于sensor_1具體如下：
圖 4左側為sensor定義，右側為觸發后的動作
這里選擇了最后一個動作，其實程序并不關注這個動作的數值是什么，只關注有沒有這個動作。通過命令庫找到Callback的定義項，完成回調對象的定義，如下所示：
圖 5回調對象定義
還需完成與傳感器對應的Acf文件的創建，這里有兩個傳感器，因此定義兩個Acf文件，具體如下：
圖 6Acf文件定義
定義該文件需要注意其名稱以及同sensor的ID號之間的聯系，這個在源程序中以有過說明。實現的目的，當sensor_1觸發后將3號joint抑制，也即part_c小球之后會自由落體；當sensor_2觸發后將4號joint抑制，也即part_d小球之后會自由落體。當然，將各自的sensor在觸發后關閉。
提交仿真，可以使用交互式仿真也可以使用腳本計算，但是如果使用腳本計算要注意不能再有對傳感器的操作，因為本案例找的就是傳感器觸發事件。
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小球落體的最新內容
實現的目的，當sensor_1觸發后將3號joint抑制，也即part_c小球之后會自由落體；當sensor_2觸發后將4號joint抑制，也即part_d小球之后會自由落體。當然，將各自的sensor在觸發后關閉。
提交仿真，可以使用交互式仿真也可以使用腳本計算，但是如果使用腳本計算要注意不能再有對傳感器的操作，因為本案例找的就是傳感器觸發事件。
該案例僅作簡單介紹，后續可以運用到小球自由落體入水、船舶出入水、水上飛機出入水等多種案例的計算。
1 workbench 設置
1.1 選擇以下三個模塊進行流體計算
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
依據相關實驗進行幾何劃分，具體尺寸如下圖。
實現的目的，當sensor_1觸發后將3號joint抑制，也即part_c小球之后會自由落體；當sensor_2觸發后將4號joint抑制，也即part_d小球之后會自由落體。當然，將各自的sensor在觸發后關閉。
提交仿真，可以使用交互式仿真也可以使用腳本計算，但是如果使用腳本計算要注意不能再有對傳感器的操作，因為本案例找的就是傳感器觸發事件。
ABAQUS碰撞 (例1) 小球沖擊碰撞含鍍層金屬材料
模型背景：
該模型模擬了金屬小球在自由落體運動下對含鍍層金屬材料的沖擊影響。
模型材料：
金屬材料的鍍層為陶瓷，基底為碳鋼Q235。
模擬結果：
提取整個碰撞過程中含鍍層金屬材料的應力應變，塑性應變能以及碰撞的接觸力。
這篇文章模擬了彈性小球從某高度自由下落，與剛性地面撞擊后反彈，觀察小球運動規律，理想狀態該小球應該呈現自由落體-碰撞反彈反復運動。
本案例中不考慮阻尼、空氣阻力、以及碰撞能量的損耗。
讀者可以根據需求將小球對象改變為手機跌落、人體跌落等，以及可以考慮阻尼，空氣阻力等因素進行計算。
我們首先建立坐標系，以彈簧自然伸長位置的上端作為坐標原點，y軸豎直向上，m1，m2分別表示小球與木塊的質量，h為小球自由落體的高度，k為彈簧的彈性模量，如下圖所示。
