接触建模介绍

发布的塞巴斯蒂安·卡斯特罗，2017年9月12日

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今天我很荣幸地向大家介绍我的同事塞巴斯蒂安·卡斯特罗作为客人的博客。他会和你分享“接触建模导论”．塞巴斯蒂安，舞台是你的了!

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在这篇文章中，我将讨论使用Simulink®、Simscape™和Simscape Multibody™模拟机械接触。金宝app

动机

建模机械接触可以帮助建立各种工程领域的真实模拟，包括

接触力是固体相互作用的结果。为了在模拟中近似接触行为，我们使用接触模型。

接触力的两个主要组成部分可以分解为

法向力可以用几种方式建模，包括

Impulse-based:这是两个物体碰撞时发生的一次性事件。在碰撞之前，每个物体都有一定的动量(质量*速度，或其旋转当量)。碰撞后，每个物体动量的大小和方向将根据类型的碰撞；例如弹性和非弹性。这种方法在对象不频繁进出接触的模型中最有效。

部队:法向力是根据一个力定律作用于物体的。一种常见的方法是应用惩罚力；例如，将接触面视为弹簧和阻尼器，其系数近似于真实世界的行为。惩罚力允许物体重叠，这可以近似这些物体在碰撞时的变形(或“挤压”)。与基于脉冲的方法不同，基于力的碰撞可能需要多个模拟时间步来达到稳态。

运动约束:这里，我们假设物体总是接触的，所以我们不需要担心碰撞动力学。例如，如果我们假设一个轮子总是在地面上，我们就不需要模拟法向力;我们只需要一个摩擦力模型就可以把轮子的转动与其直线运动联系起来。

摩擦力通常由一个具有两个不同区域的力定律组成。

摩擦力曲线可以用方程表示，也可以直接用查找表中的曲线数据表示。

金宝appSimulink®让您图形化地实现方程。机械系统动力学可以用微分方程建模，这通常与积分器块。这是因为牛顿的2^nd法律(力=质量*加速度)．加速度可以积分一次来计算速度，再积分一次来计算位置。

要实现基于力的接触力和摩擦力，您可以使用块来表示数学运算的力定律，或者直接将摩擦曲线表示为查找表。然后可以对这些力进行汇总，并将其传递到Integrator块中，如下所示。

Simscape™扩展了Simuli金宝appnk®，用于建模1D物理网络(电、流体、机械等)，而无需导出运动方程。Simscape™的每个机械组件都是通过建立速度和力/力矩之间的关系来实现的，因此您可以在Simscape™中实现基于力的一维接触。

Simscape™有内置的块，例如平移摩擦和平移硬停为接触建模提供良好起点的块。如果您想实现不同的法向或摩擦力定律，您可以查看Simscape™块的源代码并定制它们的方程——或者您也可以这样做从零开始创建自己的组件．

您可以使用Simscape Multibody™建模三维刚体系统。可以使用这些模型实现两种类型的接触。

如果你要将一维接触接口到一个更大的3D模型中，例如驱动器限制或摩擦，你可以使用Simscape Multibody™多物理库来帮助您连接一个独立的转动关节块或移动关节块到上述的硬停止块和摩擦块。

否则，您可以通过实现一个更通用的(2D或3D)惩罚力关系

的Simscape Multibody™接触力库已经实现了这些力的某些基本形状，如球体，平面和管道。我强烈建议使用这个库作为起点，如果您需要实现一些不同的东西，您可以自定义这些块。

我们刚刚介绍了在Simulink®、Simscape™和Simscape Multibody™中建模机械接触的几种方法。金宝app总而言之,

金宝app仿真软件®是最灵活的工具，允许您实现基于脉冲和基于力的接触。然而，你需要推导出所有的运动方程。
Simscape™可以在不导出运动方程的情况下建模一维机构，并包含基本块(可定制)来表示法向和摩擦接触力。
Simscape多体™让您建模三维刚体系统，而无需推导运动方程。
- 的Simscape Multibody™多物理库帮助您使用1D Simscape™块连接各个旋转或平移自由度。
- 的Simscape Multibody™接触力库包含用于简单形状之间的2D或3D接触力的块。

欲了解更多信息，请观看这篇博文中的视频。您也可以从文件交换．

你是否正在计划或正在进行机械接触模拟?你对我们在这篇文章中分享的方法或库有什么评论吗?我们很想听听你的意见。

——塞巴斯蒂安