過程動力學建模的案例
【流固耦合】翼傘后緣偏轉過程的流固耦合動力學特性
翼傘后緣偏轉的操縱過程會顯著改變翼面的整體氣動布局，同時需要多根操縱繩精確協(xié)同控制，是典型的氣動與結構緊耦合問題，涉及到的動力學問題復雜多變。對于翼傘系統(tǒng)操縱過程的動力學機理問題研究一直是降落傘領域的關鍵技術和熱點問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉過程進行動力學建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉過程、傘衣結構場和周圍流場的時變演化規(guī)律及分布特性，為進一步指導大型翼傘精確空投系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設計和技術應用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉過程是針對充滿鼓包狀態(tài)的翼傘三維模型進行的。翼傘系統(tǒng)包括傘衣、傘繩和掛重載荷，幾何模型如圖 1 所示。實際流固耦合仿真過程只考慮傘衣結構與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉過程承受拉力，且通過傘繩施加后緣下拉過程的作用力載荷；忽略傘繩與周圍流體的耦合作用和繩索的阻尼效應。
圖 1 翼傘系統(tǒng)三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結構單元之間尺寸差異過大而導致顯式動力學積分過程可能出現(xiàn)的非物理特征“沙漏現(xiàn)象”，進而引起計算發(fā)散，流場網(wǎng)格尺寸與結構網(wǎng)格尺寸盡量接近1∶1，如圖 2 所示。
圖 2 翼傘氣室流固耦合仿真網(wǎng)格模型
本文采用 S-ALE 求解方法對流固耦合模型進行仿真計算，S-ALE 方法與傳統(tǒng) ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構和歐拉流場與拉格朗日結構相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網(wǎng)格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網(wǎng)格技術，即流場網(wǎng)格根據(jù)控制點設定的方向、增長率、網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度等參數(shù)在仿真過程中隨著時間步的推進逐漸產(chǎn)生，仿真前無需單獨建立流場網(wǎng)格。這可以極大減小網(wǎng)格處理時間并提高計算效率。
展開 （交流貼）齒輪動力學、機械動力學、行星齒輪動力學、人字齒行星齒輪動力學、MATLAB建模、Workbench強度仿真等
本人專攻齒輪動力學、機械動力學、行星齒輪動力學、人字齒行星齒輪動力學、MATLAB建模、Workbench強度仿真等，歡迎相關研究方向的人員來交流。
轉子動力學系列（十）：不平衡激勵下的啟動過程瞬態(tài)轉子動力學分析 ￥99
** generate response graphs
/post26
nsol,2,5,U,X,UXdisk
prod,3,2,2
nsol,4,5,U,Y,UYdisk
prod,5,4,4
add,6,3,5
sqrt,7,6,,,Ampl_At_Disk
/axlab,y,Displacement (m)
plvar,7
轉子動力學系列（十）：不平衡激勵下的啟動過程瞬態(tài)轉子動力學分析
轉子動力學系列（九）：基于ANSYS Workbench的多軸轉子臨界轉速
轉子動力學系列（八）：軸對稱實體單元Solid272/Solid273的應用
轉子動力學系列（七）：帶支承結構的復雜轉子分析
轉子動力學系列（六）：考慮預應力的轉子動力學分析
轉子動力學系列（五）：隨轉速變剛度和變阻尼的模擬
轉子動力學系列（四）：不同軸承單元對比（COMBIN14和COMBI214）
轉子動力學系列（三）：不同建模單元對比（BEAM188與SOLID186）
轉子動力學系列（二）：不平衡響應分析
轉子動力學系列（一）：臨界轉速與坎貝爾圖
展開 基于ANSYS APDL 轉子動力學建模及動力學分析，包括坎貝爾圖，瞬態(tài)分析等 ￥15
模型
坎貝爾圖
瞬態(tài)分析某點的軌跡圖
附件包括：轉子的建模文件zhu1，及轉子動力學模態(tài)、考慮預應力的轉子動力及瞬肪分析的命令流doc文件。
基于GROMACS的有機物萃取過程分子動力學模擬
關鍵詞：GROMACS；有機物；萃取; 分子動力學；packmol
有機物萃取作為一種重要的分離和提純技術，廣泛應用于石油化工、環(huán)境保護、制藥等領域。通過液-液萃取過程，有機溶劑與目標有機物在液相中相互作用，從而實現(xiàn)高效分離。然而，由于萃取過程涉及到復雜的分子間相互作用，傳統(tǒng)實驗方法難以精確揭示其微觀機制。隨著分子動力學模擬技術的發(fā)展，基于GROMACS的有機物萃取過程分子模擬為我們提供了新的研究手段。本文將探討基于GROMACS的有機物萃取過程的分子模擬技術及其應用前景。
一、分子動力學模擬與GROMACS簡介
分子動力學模擬（MD）是一種通過數(shù)值計算解決分子和原子間相互作用的經(jīng)典力學方程的方法。它通過追蹤分子在特定條件下的運動軌跡，能夠為我們提供關于分子結構、動力學性質和熱力學行為的詳細信息。GROMACS（GROningen MAchine for Chemical Simulations）是一款高效的分子動力學模擬軟件，廣泛應用于生物分子模擬、材料科學和化學反應動力學等領域。由于其高度優(yōu)化的計算性能，GROMACS成為了研究液-液萃取過程和有機物分子行為的理想工具。
二、初始模型的構建
本案例主要探究乙醚有機物在水和甲苯之間的分配，模擬乙醚的萃取過程。乙醚，甲苯采用GAFF力場，水分子采用spce水模型。首先用Packmol建立水，甲苯，乙醚分子數(shù)分別為1764，300，30的混合體系，輸入文件如圖1所示：
圖1 packmol 輸入文件
三、模擬結果分析
經(jīng)過能量最小化和10ns的模擬，萃取過程相分離如圖2所示。剛開始體系各相均勻混合，經(jīng)過1ns后，發(fā)生略微相分離，而模擬到10ns后，幾乎發(fā)生完全的相分離。
展開 病變組織切除過程中的動力學仿真
病變組織切除過程中的動力學仿真
對于生物體病變組織的切除問題研究，傳統(tǒng)的模擬方法只考慮了病變組織的溫度情況，而事實已經(jīng)證明這是遠遠不夠的。最近，科學界提出了一種新模擬方法，通過加入反饋回路來研究不同熱量和組織損壞情況。像美國食品藥品管理局（FDA）這樣的管理機構必須對新的器械進行審核確保儀器運行的安全性和有效性。盡管在某些情況下，也存在少量老數(shù)據(jù)與研究人員可以比較新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不符的情況。但是這些儀器卻能正常的工作，有時發(fā)明者都不知道這些儀器能夠在人體內(nèi)的正常工作的潛在機制。食品藥品管理局通過進行基礎研究來填補這些在機制理解方面的不足，讓代理商更好的理解潛在的機制并幫助制定指導方針和研究測試方法。在這方面的研究中 ，COMSOL Multiphysics軟件是非常有價值的工具。
射頻消融切除腫瘤
射頻消融技術是利用最新的射頻消融探針，醫(yī)生將把它們插入腫瘤或者病變細胞處。儀器運行頻率范圍是460-550kHz，通過射頻探針將交變電流傳送到病變組織。在病變組織處離子由于電磁場極化方向的快速變化而劇烈運動，從而使得射頻能量轉化為熱能。產(chǎn)生的熱能使得組織細胞壞死，隨著溫度升高接近100攝氏度足以殺死病變細胞。
消融技術已經(jīng)證實可以有效地根除病變組織，可以治療心律失常，減輕帕金森癥癥狀，治療過渡性子宮出血，以及與化療結合治療惡性肝癌。
這些儀器對于外科醫(yī)生來說都非常重要，但是它們的工作機制直到現(xiàn)在才被發(fā)現(xiàn)。因為在活體實驗和臨床實驗中的儀器參數(shù)不同，所以利用計算機對消融進行模擬是研究這些儀器最經(jīng)濟和最有效的方式。然而，計算模型只能研究已知的特征參數(shù)，如電導率、熱容量、血流密度，以及一些外界參數(shù)，如激勵電壓、時間、最大消融溫度。
以前研究人員采用的是利用溫度數(shù)據(jù)來預測組織壞死區(qū)域大小和形狀的粗糙模型。
展開 【織物】編織過程動力學-Abaqus非線性分析
纖維編織物有其結構上的復雜性，紗線織造過程中會承受拉力，并且紗線之間、紗線與機械部件之間存在大量接觸，這些拉力和摩擦力將影響織物成形后紗線的位置以及其橫向機械性能，這個過程是高度非線性的動力學過程，目前少有數(shù)值工具專注于編織過程研究。
Abaqus作為大型通用有限元商軟，以其強大的非線性處理能力，可以完美駕馭此類問題，下面的案例為2D平面織物，為加快計算速度，已經(jīng)將紗線材料調整為剛度比較小的軟線，仿真過程使用了接觸激活。
圖1-編織過程動態(tài)應力
圖2-經(jīng)紗接觸CPRESS
圖3-緯紗接觸CPRESS
圖4-織物編織動態(tài)過程
~歡迎關注USim公眾號 → 學習更多Abaqus建模高級技巧~
展開 學習記錄——Workbench盤式制動器系統(tǒng)瞬態(tài)動力
學評估
駛過程數(shù)值模擬
駛過程數(shù)值模擬
今天學習的案例是Workbench盤式制動器系統(tǒng)瞬態(tài)動力學評估。難點是能量的輸入和輸出決定的是什么和當出現(xiàn)不合理的結果以后如何思考。
本案例還是遵循377原則，即三大步三小步。如圖所示。
1.前處理
1.1幾何模型系統(tǒng)的構建
導入模型如圖所示。
1.2材料模型系統(tǒng)的構建
密度：980
楊氏模量：110e9
泊松比：0.3
1.3有限元模型系統(tǒng)的構建
1.3.1材料賦予
1.3.2連接關系：轉動、固定和移動
1.3.3網(wǎng)格劃分
2.求解
2.1載荷邊界條件
轉動副
2.2位移邊界條件
2.3求解設定
時間0.1s，初始步數(shù)25，最小步數(shù)20，最大步數(shù)250，打開大變形。
下面是本案例的思維導圖。
展開 Matlab精細建模之車輛縱向動力學（下）
上述模型與上節(jié)縱向力模型可以組裝為一個新的縱向動力學模型。
下面做兩個工況仿真來進行模型驗證。
工況1：車輛靜止，給定車輛驅動力為250N，制動器制動力從0到200線性變化。
可以看出，地面制動力先隨制動器制動力增加，車速先正向增大后減小至0，車輛停止后地面制動力維持不變，等于驅動力與負載力之差，符合設計。
工況2：車輛靜止，給定車輛驅動力為-250N，制動器制動力從0到200線性變化。
結果與正向驅動一致。
以上，介紹了車輛縱向力的精細建模過程，主要考慮靜態(tài)、動態(tài)等不同情況下地面制動力的計算方法。
通過這兩節(jié)的簡單內(nèi)容，希望可以幫助加深大家對精細建模的理解，在自己的領域需要優(yōu)化局部細節(jié)模型，或者需要拓寬模型應用領域時，可以基于對物理過程的理解、總結，實現(xiàn)模型的精細優(yōu)化。
展開 多學科統(tǒng)一的多體動力學建模方法
在現(xiàn)代的機電系統(tǒng)中，例如機器人、機械臂、車輛等，是多學科相互作用、相互交叉的，包括機械、電學、液壓、熱學等學科，如何分析這些系統(tǒng)的動力學耦合特性就顯得特別有意義，如果以單個學科的角度或以局部組件為對象進行分析，雖然很多局部的細節(jié)考慮到，而各個系統(tǒng)間的相互作用卻被簡化了，相反的如果從整個系統(tǒng)的角度，彼此之間的交互作用卻是十分重要的，也是十分突出的。在多學科多體系統(tǒng)動力學的分析中，應該包括建模和分析，即建立的動力學方程和利用數(shù)值方法進行求解，最后形成了仿真分析，如下圖所示
在多學科耦合系統(tǒng)動力學建模和分析的方法也很多，包括線狀圖法（Linear graph）、鍵合圖法（Bond graph）、圖論（Graph theories）、“等效”方法。
線狀圖方法是數(shù)學的一個分支，主要研究系統(tǒng)拓撲學，由L.Euler在18世紀左右提出，在20世紀擴展到物理建模中。鍵合圖法在1959年由H.M.Paynterti提出，是以能量守恒原理為基礎，以勢、流、變位和動量四個廣義變量表示各個物理參數(shù)，具有因果關系，但是多適用于平面模型建模，在三維多體系統(tǒng)中較為復雜，還有待發(fā)展，鍵合圖如圖圖所示。
一些學者在線狀圖和鍵合圖的基礎上提出了圖論的多體建模方法。其中Waterloo大學的John.McPhee教授利用圖論方法建立機電耦合系統(tǒng)的動力學方程提出較具體的方法。
下面介紹屬于“等效”的方法。采用虛功原理建立多學科的系統(tǒng)動力學方程，這種方法依賴于選擇獨立的廣義坐標，能夠描述系統(tǒng)的配置。通過對多個學科的物理量的等效對應關系，便可以依據(jù)多體動力學方法進行建模求解。
展開 動力學系統(tǒng)建模電子文檔
01
動力學系統(tǒng)建模.part1.rar
動力學系統(tǒng)建模.part2.rar
動力學系統(tǒng)建模.part3.rar
『分享』動力學系統(tǒng)建模
動力學系統(tǒng)建模
Modeling of Dynamics
張景繪著
動力學系統(tǒng)建模.part1.rar
動力學系統(tǒng)建模.part2.rar
Matlab精細建模之車輛縱向動力學（上）
一直以來，關于建模的態(tài)度都是夠用就行，能簡化則盡量簡化。因為簡化的模型并不代表簡單，剛開始進行某個領域建模時，簡化的模型更能讓我們抓住其本質，去深入理解這個建模對象。
但是，隨著學習的深入，簡化的模型可能無法滿足更多需要注重細節(jié)的仿真研究。此時，基于之前建立的簡化模型去拓展模型范圍，或者去增加部分模型細節(jié)，讓模型更加貼合實際，就會變得更加容易，也更加有意義。
將以汽車縱向動力學建模為例，來談談怎樣做到精細建模。打算分為上下兩節(jié)來介紹：
1）上節(jié)：對滾動阻力進行精細建模；
2）下節(jié)：對縱向力進行精細建模。
下面開始本文的內(nèi)容：汽車縱向動力學的滾動阻力精細建模。
汽車理論給出了汽車縱向動力學的基本公式：
Fx = Ff + Fw + Fi +Fj
其中Fx、Ff、Fw、Fi、Fj分別代表車輛縱向力、滾動阻力、風阻、坡道阻力、加速阻力。
根據(jù)上述公式，我們可以很容易搭建出一個一般的車輛縱向動力學模型1.1，如下圖：
對應的車輛參數(shù)如下圖，車輛滾阻為mgf=147.15N。
進行如下工況仿真：
工況1：驅動力Fx=200N（大于滾阻），坡道i=0，初始車速V=0，滾動阻力f=0.01。
結果如下圖，車輛逐漸加速，最終穩(wěn)定在13.64m/s左右，實現(xiàn)驅動力與風阻、滾阻的平衡，符合預期。
工況2：驅動力Fx=100N（小于滾阻），坡道i=0，初始車速V=0，滾動阻力f=0.01。
結果如下圖，理論上驅動力小于滾阻，車輛應該靜止，但是實際車輛在反向加速，且加速度越來越大，不符合預期。
展開 《結構動力學》 和 《數(shù)學建模基礎》
《結構動力學》 和 《數(shù)學建模基礎》
結構動力學.part1.rar
結構動力學.part2.rar
數(shù)學建模基礎.rar
淺談車輛多體動力學建模
一 前言
在整車研發(fā)過程中，借助計算機輔助技術進行性能仿真，可以減少制造成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。其中，整車動力學仿真直接關系到車輛的操縱穩(wěn)定性，整車平順性以及車輛可靠性。為了獲取準確的動力學響應，提升整車動力學性能，整車多體動力學建模顯得尤為重要。懸架系統(tǒng)是車輛動力學系統(tǒng)的重要組成，故本文主要基于懸架來介紹車輛多體動力學的建模方法。
二 懸架基本構造
懸架是汽車車架與車輪之間傳力裝置的總稱，它能夠傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并減少由此引起的震動，以保證汽車能平順行駛。典型的懸架結構由彈性元件、導向機構、減震器、緩沖塊以及橫向穩(wěn)定桿等組成。
圖一 懸架結構基本組成[1]
目前，常用的懸架結構主要有麥弗遜式懸架、雙橫臂式懸架、多連桿式懸架、扭轉梁式懸架等。
三 動力學建模
3.1 模型簡化
懸架系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，進行動力學建模分析前應進行一定程度上的簡化，將沒有相對運動關系的零部件組合為一體。根據(jù)零部件的真實運動關系確定合理的約束類型，通過約束連接各零部件，建立懸架系統(tǒng)的動力學簡化模型。
圖六 麥弗遜懸架基本構造[5]
3.2 拓撲結構
建立車輛多體系統(tǒng)動力學模型的關鍵在于理清系統(tǒng)的拓撲結構。所謂拓撲結構指的是將系統(tǒng)內(nèi)部的實體抽象成與其大小、形狀無關的“點”，而實體間的連接抽象成線，其本質就是研究系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的連接關系。下圖以麥弗遜懸架為例，描述了其在垂向路徑下的拓撲結構關系。
圖七 麥弗遜懸架垂向路徑拓撲結構
子系統(tǒng)內(nèi)部及各子系統(tǒng)之間通過約束副建立連接關系，在多體系統(tǒng)動力學建模過程中，常用的約束主要有鉸鏈（Joint）約束與襯套（Bushing）約束。
展開 