使用 Comsol 进行多体动力学仿真及简单的结果分析。
§ Comsol仿真操作步骤
1 新建模型
打开 Comsol $\Rightarrow$ 模型向导 $\Rightarrow$
三维 $\Rightarrow$ 结构力学/多体动力学 $\Rightarrow$
添加+研究 $\Rightarrow$ 瞬态 $\Rightarrow$ 完成。
2 建立几何模型
在 组件1/几何 中建立几何模型。
复杂的模型需要从外部导入，同时模型可以导出保存。
Comsol 中可以建立简单几何体，下面介绍圆柱和空心圆柱的构建步骤。
2.1 圆柱
- 单击 几何 修改长度单位
mm, 角度单位rad。 - 右键 几何 选择
圆柱体。进入圆柱体设置分栏。 - 设置轴类型 ( 即轴的方向 )。 选择
y轴。 - 大小和形状。 半径
40, 高度2。 - 位置。
[x,y,z]=[0,2,0]。 - 点击构建所有对象。在图形界面出现构建的圆盘, 如下图所示。
2.2 空心圆柱
- 重复构建圆柱的步骤构建两个圆柱。
大小和形状 分别为[10,2], [4,2]；
位置 均为[10,0,0]；
轴类型 均为 y轴。
- 构建差集。右键 几何1 ，依次选择
布尔操作与分割–差集。 - 进入差集 设置栏。
要添加的对象较大的圆柱，要减去的对象选择较小的圆柱。 - 点击构建所有对象。在图形界面出现构建的圆盘, 如下图所示。
本次仿真实验最终构建的几何模型如下所示：
2.3 创建接触对
- 方法1: 在 几何1 下选择 形成装配，
动作 选为 装配，勾选 创建对，对类型 选择接触对。
点击全部构建。在组件1/定义 下会出现几何模型中重合的面构成的接触对。
- 方法2: 右键 组件1/定义 ，依次选择
对/接触对。
然后选择 源边界 和 目标边界 分别为接触的两个面。
Remark:
- 形成装配会生成接触对。
表示接触表面分别属于两个不同物体，二者接触间不存在剪切力等分子间作用力。
形成联合体生成一致对。
表示接触的几何模型同属于一个实体。
2.4 添加材料
- 右键 组件1/材料 ，从库中添加材料，
选择需要的材料，如iron，自动应用到所有域。
3 物理场设置
3.1 连接件
连接件是几何实体中连接关节的虚拟部件。
对几何体附加刚性域或其他属性后并不能直接用来定义运动关节，
需要先定义连接件。
- 右键 多体动力学 选择
连接件建立连接件1 。选择左圆盘所有表面。
同理建立右圆盘的连接件2。
3.2 定义运动副
双转盘模型可以理解为一边圆盘为转动关节 (铰链关节)，只有一个转动自由度；
另一个圆盘为圆柱副，有一个绕轴线的转动自由度和沿轴线的平动自由度，
其中平动自由度用来控制加持力。
- 建立 圆柱副 。
右键 多体动力学 依次选择关节/圆柱副。
选择 源 为固定, 目标为连接件1， 关节中心 选择目标质心。
关节轴 选择 指定方向，并设置为y轴方向 [0,1,0]。
- 建立 铰链关节。
右键 多体动力学 依次选择关节/铰链关节。
选择 源 为固定, 目标为连接件2， 关节中心 选择目标质心。
关节轴 选择 指定方向，并设置为y轴方向 [0,1,0]。
- 为圆柱副设置转速与关节作用力。
右键 圆柱副1 ，选择指定运动。
指定旋转运动 中选择 指定穿越运动为 角速度, 设置为 30rad/s。
右键 圆柱副1 ，选择 作用力和力矩。
作用于 目标连接件， 位置 为连接件中心，
设置作用力为[0,1,0] N。
- 为铰链关节设置转速。
右键 铰链关节1 ，选择指定运动。
指定旋转运动 中选择 指定穿越运动为 角速度, 设置为 -30rad/s。
3.3 物理场中的接触对
物理场中的接触对用于模拟实际物体之间接触发生的动力学模型，
没有添加接触对的实体在仿真中不会发生碰撞和干涉。
圆盘和物体之间的正压力和摩擦力等需要通过设置接触对来实现，
设置步骤如下。
右键 多体动力学 选择
对/摩擦以添加接触对。进入 接触 设置界面，对选择 选择几何模型中设置的
接触对1。添加摩擦特征，右键 接触1 选择
摩擦。
进入摩擦设置界面，设置摩擦模型。重复上述操作，建立并设置
接触2。
本实验的摩擦参数选择为：
3.4 添加力场
为被控物体添加重力。
- 右键 多体动力学 选择
体积力/重力。
在重力设置界面，域选择 选择为被控物体。
3.5 划分网格
选择自动划分网格。
在 多提动力学/网格1 中选择物理场控制网格，并选择单元大小。
点击全部构建即可，超细化 网格生成后如下图所示。
Remark:
运行的结果可能会影响之后修改后的模型的仿真 (不确定)。
如果仿真报错，而模型设置没有问题时可以考虑创建新的仿真文件。添加物理时，最好每添加一个运行一次仿真，以确保设置无误。
4 模型的仿真及结果分析
4.1 模型仿真
- 展开 研究1/步骤1: 瞬态，设置仿真器时间步。
- 点击 瞬态 设置栏中的计算，开始仿真。
本次实验的时间步设置如下，实验平均用时25mins。
4.2 仿真效果的查看
仿真结束后, 在结果栏中出现新的子菜单, 如图所示。
在 位移 和 速度 栏中可以查看每个时间步下的物理场和速度场。
位移场也展示在下面。
4.3 导出动画
以导出位移场的动画为例。
选择 结果/位移(mbd)**，菜单栏中出现新的操作按钮(如下图)。
右下角的按钮即为 **动画。点击 动画/文件 。
输出类型 选择 电影 ，格式 选择 GIF ，
时间选择 选择 来自列表 后可以导出特定时间段的视频，也可以后期剪辑，
布局 选项中勾选需要导出的额外信息。
- 点击导出，选择保存路径和文件名即可。
4.4 导出指定点的物理信息
- 右键 结果/派生值 选择
点计算。
进入点计算设置栏，手动选择需要计算的点，
这里可选择的点根据模型的变化而有所不同。
表达式 添加需要导出的变量名称
(具体的查找方法待定, 可查看帮助手册$^{[1]}$)，x, y, z, u, v, w 分别为各个方向的位置和速度。
点击 计算, 会在消息栏 (界面右下角) 出现计算结果，
并生成 结果/表格/表格1 。
进入 结果/表格/表格1 选择
添加要导出的表。右键 结果/导出/表格1 导出, 选择保存路径和文件名即可。