Benaderingen voor modellering

Allereerst is het goed om te weten welke benaderingen gebruikt kunnen worden in Simcenter Amesim. Onderstaande afbeelding laat zien hoe een voorbeeld van een hydraulische terugslagklep kan worden gemodelleerd met verschillende benaderingen

1.    Functioneel onderdeel
Een ingebouwd onderdeel dat de functie van de terugslagklep simuleert, zonder naar gedetailleerde fysica te kijken.

2.      Fysieke componenten
Ingebouwde componenten die de betrokken fysica simuleren om de functie te veroorzaken.

3.    Wiskundige benadering
Als we weten hoe we de fysica moeten uitdrukken met analytische formules, kunnen we de control&signal bibliotheek gebruiken om deze formules toe te passen.

4.      Programmeren
Als we beschikken over de kennis die nodig is voor de wiskundige benadering en enige programmeerervaring hebben, kunnen we ook C-code gebruiken om een aangepast submodel te maken.

5.      Diverse
Er zijn natuurlijk verschillende andere benaderingen mogelijk, zoals het gebruik van een neuraal netwerk, overdrachtsfuncties, responsoppervlakken of co-simulaties met externe software (bijv. FMU, Simulink, CFD, FEM, Python).

Elke optie heeft zijn eigen gebruikssituaties, in dit voorbeeld zullen we een combinatie van 2 & 3 gebruiken. We zullen fysieke componenten gebruiken waar beschikbaar is, om de hoeveelheid wiskunde die we zelf moeten doen te beperken.

Modelleren – 3D-mechanica

Omdat voetbal kan worden vereenvoudigd tot een multi-body simulatie, kunnen we gebruikmaken van de 3D mechanische bibliotheek. We gebruiken een assembly manager component om onze opstelling in 3D-ruimte te bekijken en voegen vervolgens onze bal toe als een 3D-body.

Door gebruik te maken van de verschillende bolcontacten kunnen we de muur (bol tegen dooscontact), het veld (bol tegen vlakcontact) en het doel (bol tegen cilinder voor palen/kruisbalk, bol tegen vlak voor het net) modelleren. We weten dat we wind- en magnuskracht willen toevoegen, dus we voegen alvast een signaal-krachtcomponent toe met enkele constante inputs van 0N & 0Nm en behandelen de formules later.

Bekijk de Assembly manager om de parameters voor onze 3D mechanische onderdelen in 3D-ruimte te controleren.

Modelleren – Aangepaste fysica

Nu het belangrijkste deel van het model klaar is, is de volgende stap het toevoegen van onze aangepaste fysica van de magnuskrachten. We gebruiken de volgende formule:

Onze formule heeft enkele constanten die we de gebruiker laten specificeren , die we kunnen toevoegen aan de globale parameters om ze gemakkelijk toegankelijk en herbruikbaar te maken in het hele model. De variabelen moeten uit het model worden gehaald. We kunnen enkele sensoren plaatsen tussen de kracht en de bal om de rotatie- en translatiesnelheid te meten.

We kunnen de X-, Y- en Z-componenten uit deze snelheden halen en ze gebruiken als invoer voor een expressiecomponent. We definiëren de formules voor de drie uitgangen (Fx, Fy, Fz) als functies van de 6 ingangen .

We kunnen de windsnelheid aftrekken van de balsnelheid en de magnuskrachtmethode herhalen voor het berekenen van de weerstandskrachten en -momenten en alles met elkaar verbinden en de resulterende kracht- en momentcomponenten toepassen op het middelpunt van onze voetbal.

Modelleren – Uitgebreide natuurkunde

Maar wat als de fysicacomponenten die je nodig hebt in Amesim zitten, maar je wilt je eigen functionaliteit toevoegen. Een voorbeeld hiervan is het toevoegen van een meer geschikt wrijvingsmodel aan ons contact met het veld.

In plaats van de wrijvingsmodellen in de bol naar het vlakke contact te gebruiken, kunnen we die wrijving op nul zetten en een wrijvingskracht/moment toevoegen die we zelf berekenen.

De berekening hiervan zijn functies van de translatie- en rotatiesnelheidscomponenten en een hoogtefunctie om ervoor te zorgen dat de kracht 0 is als er geen contact is.

Hergebruik van aangepaste componenten

Nu we alle fysica hebben gedefinieerd, kunnen we ons model opschonen. We kunnen componenten combineren tot supercomponenten. Hierdoor kunnen we al onze componenten die worden gebruikt voor de berekeningen groeperen achter één component en parameters en variabelen kiezen om ze gemakkelijk toegankelijk te maken. We hebben nog steeds toegang tot de schets achter de supercomponent, maar hoeven niet door al die schetsen te graven om de parameter te vinden die we willen veranderen.

Optioneel kunnen we enkele weergavepictogrammen maken voor onze supercomponenten, ze opslaan in een aangepaste bibliotheek zodat we ze kunnen hergebruiken in andere modellen en ze coderen zodat we ze kunnen delen met externe partijen zonder onze eigen methoden te onthullen (de schets verbergen achter de supercomponent).

Nabewerking

Nu hebben we een model dat we kunnen uitvoeren. De resultaten kunnen nabewerkt worden met behulp van grafieken, maar omdat we de assembly manager hebben gebruikt, hebben we ook een gemakkelijke manier om de resultaten te animeren.

Dit geeft een veel betere visualisatie van wat er gebeurt, zonder dat je er veel werk voor hoeft te doen.
Een laatste optionele stap is het toevoegen van enkele 3D-modellen aan de animatie, deze zullen puur worden gebruikt voor de visualisatie. De resultaten hiervan kun je zien in de LinkedIn post

Conclusie

Hopelijk heeft dit artikel laten zien hoe zelfs iets nieuws als een vrije trap zich goed leent voor simulaties. Hoewel er geen kant-en-klare bibliotheek is om te gebruiken, kunnen we onze eigen bibliotheek met onze eigen fysica maken. Dit is mogelijk door slim gebruik te maken van reeds beschikbare componenten en een goed begrip van de fysica die nog moet worden toegevoegd.

De aanpak in dit artikel is natuurlijk niet beperkt tot de simulatie van een vrije trap. Een soortgelijke aanpak kan worden gebruikt om bijna alles te simuleren. Van plasmasystemen, vacuümsystemen, productiefabrieken of zelfs een andere sport.

Als je een probleem hebt dat gesimuleerd moet worden, of hulp wilt bij het maken van je eigen bibliotheek, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.