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冰棍多米诺仿真-掌握Abaqus强大的重启动分析技术

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作者:USim

冰棍多米诺现象非常有趣,大量的冰棍木棒交叉延伸织叠,形成一条平铺在地面上的“篱笆”,“篱笆”的两端需要用力按压或卡着,以免紧绷的木棒被弹出。

当从一端释放被按压的木棒时,整条“篱笆”就会像多米诺骨牌一样,出现有趣的链式反应,伴随着“眼镜蛇姿态”,快速地向着另一端解体。


冰棍多米诺

只要玩家的想象力足够丰富,“篱笆”形状可以任意变化,而木棒交织形态一般只有几种,最基础的是下图这种,典型的Fabric结构,即经纱、纬纱垂直交织。考虑木棒不能发生断裂,应该避免它的应力过大,所以织物经纬密不能太高。


木棒的一种交织形态

如上图,先假设红色木棒A处受到按压,系统稳定,来分析一下木棒的受力。

我们看到左侧的褐色木棒位于“篱笆”的内部,单个木棒有四处摩擦约束,处于非常稳定的状态,这些木棒由于织叠形变,内部储存了大量的应变能。

右侧绿色和黄色的木棒各自有三处摩擦约束,处于稳定状态,内部储存了一些应变能。

末端红色木棒有来自黄色、蓝色木棒的摩擦约束和来自按压物体的摩擦约束,处于稳定状态,内部也储存了一定的应变能。

当我们释放A处的按压时,红色木棒储存的应变能得到释放,B、C两处的正压力做功,木棒获得速度,由于正压力的减小,红色木棒失去摩擦约束,然后弹出。

随后,黄色木棒失去B处的约束,然后重复了一遍红色木棒刚才的过程,然后是绿色、蓝色、褐色…直到所有木棒都弹出。

值得注意的是木棒的弹出速度会很快,单个木棒的弹出过程往往是毫秒级的。

冰棍多米诺Abaqus仿真

下面,我们要在Abaqus里面对刚才抽象分析的力学过程进行模拟验证。

顺便说明一下,这个案例是目前USim发布的所有仿真中,用到Abaqus/CAE建模技巧最多的一个。

它的核心是Standard到Explicit的重启动分析。以前我们分析那个可爱的、会爬楼梯的Slinky时,曾用到过这种技巧,但是那个案例远没有这个复杂。

首先在Standard里面进行过盈装配分析,得到织叠的、储存满应变能的“篱笆”。这个模拟是最终动力学分析的基础工作,所有的关键和难点(接触定义和收敛控制)都在这一步。


冰棍多米诺装配分析

在Explicit里导入装配状态,添加地板与重力,然后从一端释放,进行重启动分析,计算冰棍多米诺原地爆炸的动力学过程。


冰棍多米诺三个视角


冰棍多米诺的自我瓦解
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木棒速度云图


木棒的动态应力云图

这实际上也是一个变质量动力学系统,“眼镜蛇姿态”是其织叠方向和喷出工质的动量(反作用)巧妙组合的结果。


冰棍多米诺的“眼镜蛇姿态”

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