При моделировании твердотельных блоков, находящихся в контакте друг с другом, контактные силы играют важную роль в поведении твердотельных блоков. Обе нормальные силы, fnи сила трения, ff, может привести к резкому изменению поведения модели. Контактные силы вступают в игру во многих различных ситуациях моделирования, таких как:
Пакетные конвейеры
Роботизированное движение
Динамика гоночных автомобилей
Блок «Сила пространственного контакта» моделирует силы между твердыми телами основания и ведомой рамы. Когда два твердотельных блока соединены, блок Пространственная сила контакта (Spatial Contact Force) прикладывает равные и противоположные силы вдоль общей плоскости контакта. Эти силы соответствуют Третьему закону Ньютона. Нормальная сила прикладывается на основе глубины проникновения и скорости проникновения. При приложении сила трения основана на нормальной силе и относительных скоростях в точке контакта.
Simscape™ Multibody™ используется штрафной метод моделирования контакта между телами, который позволяет телам проникать в небольшом количестве. Контактные силы в нормальном направлении вычисляются с использованием закона силы демпфера пружины: чем глубже проникновение и тем больше относительная скорость в направлении проникновения, тем больше нормальные контактные силы.
Свойства блока «Пространственная сила контакта» разделены на три расширяемых узла: «Нормальная сила», «Сила трения» и «Зондирование». Задайте эти свойства при использовании блока Пространственная сила контакта (Spatial Contact Force) для моделирования сил контакта между двумя твердыми телами.
Дополнительные сведения об этих свойствах см. в разделе Пространственная сила контакта.
Параметры в разделе «Нормальная сила» используются для определения нормальной силы. fn, что два твердых тела воздействуют друг на друга. Можно задать значения параметров «Жесткость», «Демпфирование» и «Ширина переходной области».
Параметры в разделе Сила трения (Friction Force) используются для определения силы трения. ff, что два твердых тела воздействуют друг на друга. Если для параметра «Метод» задано значение Smooth Stick-Slip, затем можно задать коэффициент статического трения, коэффициент динамического трения и критическую скорость. Эти опции недоступны, если для параметра Метод (Method) задано значение None.
Помимо моделирования контакта между двумя сплошными блоками можно также использовать блок Пространственная сила контакта (Spatial Contact Force) для считывания:
Расстояние разделения - расстояние между двумя твердыми телами
Нормальная сила (Normal Force) - нормальная сила, приложенная каждым твердым телом к другому.
Величина силы трения (Frictional Force Magnitude) - сила трения, оказываемая каждым твердым телом на другое.
Чтобы включить эти параметры, откройте свойства блока «Пространственная сила контакта». В разделе «Зондирование» выберите свойства, которые должен воспринимать блок. Для каждого свойства на блоке отображается порт. Подключите эти порты к средству просмотра по своему выбору.
Блок Пространственная сила контакта (Spatial Contact Force) не знает информацию о двух соединяющихся твердых телах. В параметрах твердотельного блока включите параметр «Экспорт: вся геометрия».
После включения этой опции на твердотельном блоке появится новый порт геометрии G.
Подключите порт геометрии к базовому порту или порту толкателя в блоке Пространственная сила контакта (Spatial Contact Force). Выполните те же действия для другого твердотельного блока и подключите его к оставшемуся порту. Дополнительные сведения о базовых и ведомых кадрах см. в разделе Выбор кадра измерения.
По сравнению с моделированием механических взаимосвязей в системе с несколькими телами контакт моделирования предоставляет больше вариантов выбора, и выбранные методы могут повлиять на скорость моделирования, точность и ремонтопригодность модели. Simscape Multibody предоставляет базовые конструкции контактного моделирования, но существует множество способов их использования.
Вычисленные нормальные контактные силы являются непрерывными функциями глубины проникновения и скорости проникновения. Simscape Multibody вычисляет эти нормальные силы, уменьшая силы пружины и демпфера, когда глубина меньше, чем ширина переходной области. Увеличение ширины области перехода уменьшает резкость силы контакта, облегчая работу решателя, но позволяя увеличить проникновение. Уменьшение ширины переходной области дает контактным силам более острый профиль, более близкий к идеализированному контакту жесткого тела. Однако уменьшение ширины области перехода может также ухудшить производительность решателя.
Установка максимального размера шага в 1e-3 секунды или ниже повышает точность во многих моделях. Уменьшение относительного допуска решателя может привести к аналогичному эффекту. Однако уменьшение размера шага также снижает скорость моделирования.
Явные решатели, такие как ode45, обычно лучше для систем со многими быстрыми столкновениями или изменениями контактов. Неявные решатели могут бороться при таких обстоятельствах. Если изменения контакта происходят нечасто и являются более стабильными, неявные решатели могут обеспечить преимущество скорости благодаря их способности справляться с жесткостью, создаваемой контактными силами.
Расстояние между двумя сплошными блоками является положительным, когда две геометрии не соприкасаются, нулевым, когда они соприкасаются, и отрицательным, когда между геометриями имеется нетривиальное проникновение. Когда расстояние разделения отрицательное, его величина также известна как глубина проникновения. Глубина проникновения является непрерывной функцией положений и ориентаций геометрических объектов.
Simscape Multibody использует алгоритмы анализа геометрии, настроенные для небольших приложений контактного моделирования. Некоторые алгоритмы предполагают, что глубина проникновения мала по сравнению с размером геометрий. Если это не так, вычисленные (отрицательные) расстояния разделения могут быть только приблизительными или могут иметь разрывы, и результирующие контактные силы могут быть неустойчивыми. Для получения наилучших результатов ограничьте глубину проникновения в модели.
Кирпичное тело | Цилиндрическое твердое тело | Сила пространственного контакта | Сферическое твердое тело