首页/文章/ 详情

鸡蛋对碰不碎神话:CAE仿真助你“蛋”无不胜!

1月前浏览1397

最近看到一个游戏:两个煮熟的鸡蛋互碰,谁的鸡蛋先破,谁就算输。乍一看这游戏纯凭运气,但仔细研究之后,我发现这里面蕴含着众多有趣的力学原理!怎么”碰鸡蛋“能一直赢?CAE仿真有妙招!

红染桃花雪压梨,玲珑鸡子斗赢时。
今年不是明寒食,暗地秋千别有期。

——唐. 元稹《寒食夜》

数百年前,美国杂志《科学与发明》称,通过多次试验发现,被撞破的多是主动去撞的那个鸡蛋,也即处于“运动状态”下的那个鸡蛋。其解释是,运动鸡蛋的内部物质在撞击瞬间会挤压蛋壳使其破碎。
主动碰的鸡蛋更容易碎,真的是这样吗?本文拟采用Ansys Workbench显示动力学分析模块LS-DYNA,针对“碰鸡蛋”双方进行力学分析,并提出获胜概率大、可行性高的碰蛋策略。详细步骤如下所述。

1 构建几何模型

由文献[3]可知,卵形轮廓可以基于许格尔舍费尔模型的通用公式绘制,如下图所示。其中,L为蛋的长度,B为蛋的宽度,w为最宽处离蛋长一半处的距离。只需测量鸡蛋的这三个参数,就可还原出几何形状。

利用SolidWorks完成鸡蛋建模,包含蛋壳、蛋白和蛋黄。根据文献[4],取长度L为60mm,宽度B为44mm,距离w为10mm,以此建立鸡蛋的基本形状,蛋壳厚度取为0.35mm,蛋黄近似为半径10mm的球。

2 创建分析流程

Ansys Workbench关联Solidworks点击SolidWorks菜单栏中的“工具“,选择Ansys Workbench,将模型传输至Ansys Workbench的Germetry中。设置Units为mm,右击Geomrtry进入DM界面,右击Attacxh1,选择Generate生成几何模型。

当涉及瞬态、大应变、大变形、碰撞、以及复杂接触问题时,显式动力学求解可以很好地满足仿真需求。点击Extensions,打开界面勾选,然后点击Close。拖拉Workbench LS-DYNA至Geometry上,创建项目分析流程,如下图所示。

3 添加材料属性

双击Engineering Data,进入编辑环境,右击空白区域,选择Engineering Data Sources。勾选General Meterials右侧方框,右击下方列表任意材料,选择Duplicate,重命名并按下表设置材料属性。

按上述步骤,分别新建蛋壳、蛋白和蛋黄。单击General Meterials右侧保存,并取消方框勾选。依次单击蛋壳、蛋白和蛋黄后面的“+”,完成材料添加,然后关闭Engineering Data。

4 设置单元特性
双击Model,进入Mechanical界面。展开Generoty,逐个单击几何模型,并在下方列表的Assignment中选择对应材料,其余保持默认设置。

展开Contacts,添加4个绑定约束,分别为2对鸡蛋的蛋壳与蛋白、蛋白与蛋黄。
为简便起见,采用自动网格划分,右击Mesh,生成网格并进行质量检查。

5 设置边界条件

设定右侧鸡蛋固定不动,右击Workbench LS-DYNA,添加Fixed Support,图形界面选择鸡蛋大端外面,点击下方列表Geometry中的Apply。

设定左侧鸡蛋以5m/s的速度匀速撞向右侧鸡蛋,右击初始条件Initial Conditions,添加速度Velocity,并按分量设置。图形区选择蛋壳、蛋白和蛋黄,点下方列表中的Apply。

6 进行求解设置
单击Analysis Settings,下方列表中设置仿真时间End time为0.001s,Time Step Safety Factor为0.9,Maximum Number Of Cycles为1000。特别注意:要合理设置这些参数,并根据求解结果逐步调整,求解计算时间超长!

7 求解结果后处理

右击Solution,添加总位移Total Deformation和等效应力Equivalent Stress。再次右击Solution,选择Solve,进行求解计算。结束后,查看并分析位移和应力云图。
从上述两幅鸡蛋的应力云图可知,左侧主动碰撞的鸡蛋最大应力为707.32MPa,而右侧被碰撞的鸡蛋最大应力为451.77MPa。由此可知,动态鸡蛋比静态鸡蛋更容易破碎!
声明:本文部分内容整理自网络,并不意味着支持其观点或证实其内容的真实性。如涉及版权等问题,请联系我们删除。参考文献:
[1] 史晓雷. 永恒的经典——评别莱利曼《趣味科学》丛书,20180714.
[2] 别莱利曼. 趣味力学(谷羽,赵秋长译). 武汉:湖北少年儿童出版社,2009. 6-7.
[3] Valeriy G, Narushin, Michael N. Romanov,etc. Digital imaging assisted geometry of chicken eggs using Hügelschäffer's model.

[4] 郑丽文. 鸡蛋结构的有限元模型和碰撞动力学模拟[J].机械工程师,2021(05):15-16+19.

[5] 公 众号:小玉壶. 清明节专题丨“碰鸡蛋”游戏中,怎么才能一直赢?

[6] 吴雪,张媛,刘斌,等. 应用流固耦合方法的鸡蛋动力学特性研究[J].食品工业科技,2016,37(23):311-315. 

[7] 毕导. 两个蛋对撞,如何避免自己的蛋碎?



来源:纵横CAE
ACTMechanicalLS-DYNAWorkbenchDeform显式动力学碰撞动网格通用材料游戏试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-10-26
最近编辑:1月前
纵横CAE
硕士 签名征集中
获赞 21粉丝 50文章 178课程 0
点赞
收藏
作者推荐

几款主流多体动力学仿真分析软件介绍

多体动力学仿真分析软件在现代工程设计与研究中扮演着至关重要的角色。在这个科技飞速发展的时代,复杂机械系统的设计和优化需求日益增长,多体动力学仿真分析软件应运而生。 多体动力学仿真分析软件能够模拟各种机械系统的运动和力学行为,为工程师和研究人员提供了强大的工具,帮助他们在设计阶段就能够预测和优化系统的性能。这些软件基于先进的数学和物理模型,结合高效的计算算法,能够精确地模拟机构中的接触碰撞、柔性体变形、复杂的运动学和动力学问题等。 无论是航空航天领域的飞行器设计,还是汽车工业中的车辆动力学分析,亦或是机械制造中的设备优化,多体动力学仿真分析软件都发挥着不可或缺的作用。 目前工程中常用的多体动力学仿真分析软件包括Adams、MotionSolve、Ansys Motion、RecurDyn、Simpack等。Adams美国 MSC,现隶属于 HEXAGONAdams是世界上应用广泛的多体动力学仿真软件,用于对复杂机械系统设计进行视觉上和数学上的全动态行为的真实模拟。Adams可求解静态、准静态、运动学及动力学的多体系统问题,在求解过程中也能查看已有的分析结果。还可以定义变量、约束和设计目标,进行优化迭代,从而提供最佳的系统性能。Adams包含Adams Car、Adams Machinery和Adams Dirll模块包,可以加速汽车、传动系统和钻井系统的建模和仿真效率。 Adams Car基于模板的车辆建模和仿真工具,用户只需在模板中输入参数,就可以快速生成包含车身、悬架、发动机、转向机构、制动系统在内的整车模型,进行仿真。 Adams Machinery高精度机械传动系统仿真模拟工个,提供刚柔和柔性齿轮、轴承、皮带、链条、绳索、电机和凸轮等工具的参数化建模方法。 Adams Drill专业的钻井系统动力学仿真模拟,评估和预测钻头和钻柱动态特性、钻柱与井壁接触、井眼轨迹等问题。MotionSolve美国 AltairMotionSolve是进行多体系统动力学分析和优化的集成化工具,为复杂机械系统的仿真提供了强大的建模、分析、可视化和优化功能。MotionSolve分析功能包括运动学、动力学、静力学、准静力学、线性和振动分析,可以帮助用户更好地了解和改善产品的性能。 Ansys Motion美国 Ansys集成到“Mechanical”界面中的ANSYS Motion是基于优秀的多体动力学求解器的第三代工程解决工具。它可以对刚性和柔性物体进行快速而准确的分析,并通过对整个机械系统的分析来对物理事件进行准确的评估。ANSYS Motion使用了四个紧密集成的求解模块:刚体,柔性体,模态和无网格EasyFlex。这为您提供了便捷的功能,可以按您想要的任何组合分析系统和机制。可以研究具有数百万个自由度的大型装配体,其中包括柔性和接触的影响。然后,使用标准连接和接头可以连接和加载这些系统。 能够在与常规结构分析相同的界面中在ANSYS Motion中执行仿真,意味着可以将一个模型重复用于工程,从而节省大量时间。除了基本软件包之外,ANSYS Motion还提供了其他工具包,因此在具有特定多体动态需求的区域中工作的用户可以更快,更高效地工作。RecurDyn韩国 FunctionBayRecurDyn是由韩国FunctionBay公司开发的新一代多体系统动力学仿真软件。该软件采用了先进的多体动力学理论,基于相对坐标系建模和递归求解,大大提升了求解速度与稳定性,解决了传统动力学分析软件在处理机构接触碰撞问题时的诸多不足。自推出以来,RecurDyn因其高效和精确的特性,受到了工程师们的广泛欢迎,并且持续进行版本更新及新功能开发。RecurDyn能够高效地求解大规模多体系统的动力学问题。它不仅能够处理传统运动学与动力学问题,还特别擅长解决工程中的机构接触碰撞问题。软件采用相对坐标系的运动力学方程和完全递归算法,确保了求解的速度与稳定性。RecurDyn提供了一系列专业工具包,包括但不限于皮带滑轮系统、链条系统、齿轮、轴承、媒体传送等,这些工具包极大地提高了工程师在建模、仿真过程中的速度与精度。RecurDyn能够建立控制-机械-液压一体化的完整数字化样机。通过与控制软件如MATLAB/SIMULINK的结合,可以实现包括控制系统在内的复杂机械系统的同步仿真计算。 Simpack德国 INTEC GmbH,2014年被法国 Dassault Systèmes 收购Simpack是一款由德国INTECGmbH公司(于2009年正式更名为SIMPACKAG)开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。它以多体系统计算动力学(Computational Dynamics of Multibody Systems)为基础,包含了多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。SIMPACK软件的主要应用领域相当广泛,覆盖了汽车工业、铁路、航空/航天、国防工业、船舶、通用机械、发动机、生物运动与仿生等多个领域。 Simpack具有以下主要特点和功能:多体系统建模:Simpack提供了直观的建模工具,可以用于创建多体系统的几何形状、连接关系和运动约束。它支持多种建模方法,如几何建模、CAD导入等,并提供了丰富的建模元素和连接器,方便用户创建复杂的系统模型。运动仿真和分析:Simpack可以模拟多体系统的运动和相互作用,并提供了丰富的仿真和分析工具。它可以计算物体的位移、速度、加速度等运动参数,以及力、力矩、应力等相互作用参数。同时,Simpack还支持动态仿真、稳态仿真、频域仿真等不同类型的仿真分析。碰撞和接触仿真:Simpack可以模拟多体系统中物体的碰撞和接触行为。它可以计算碰撞的力、能量损失、碰撞后的运动状态等,并提供了碰撞检测和碰撞响应的工具。同时,Simpack还支持接触力的计算和分析,可以模拟物体之间的摩擦、接触力等相互作用。流体仿真和耦合:Simpack可以模拟液体和气体的流动行为,并支持多体系统与流体的耦合仿真。它可以计算流体的流速、压力、湍流等参数,并将流体力学效应应用于多体系统的运动分析中。优化和设计:Simpack提供了优化和设计工具,可以帮助用户优化多体系统的性能。它支持参数化建模和自动化优化,用户可以通过改变设计参数,自动搜索最佳设计方案。 别忘了点分享、收藏、在看、点赞哦!来源:纵横CAE

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈