如何为钓鱼竿(或绳索)建模?

计算科学 造型
2021-11-24 07:59:18

我希望通过连接短段来模拟钓鱼竿(或绳索)。(段可能具有相等(短)的长度,但每个段都应分配有自己的质量。)一个段将通过段之间的扭矩影响下一个段。暂时可以将接头视为板簧(扭矩与弯曲角度(a 或 alfa)成正比,每个接头单独 k)。

当我对第一段(“手柄”)施加扭矩时,扭矩将扩散到其余段。

问题是,当我将扭矩 T1 施加到第一段(在时间 dt 期间)时,我不明白如何计算在第一段(质量为 m1)和随后的段中发生的运动。

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我是一名(退休)医生,对生物力学感兴趣,所以请只使用基本的物理术语。(我希望将模型迁移到生物力学用途。我之前已经为模型编写过计算机程序,所以如果我能把运动方程弄清楚的话,我希望我能管理这部分。)

2个回答

要解决您所描述的这个问题,您需要建立一个简单的常微分方程系统。对于“钓鱼竿”中的每个部分,您只需要使用线性和角动量守恒(F=maτ=dLdt)。每个部分都将承受来自其邻居的力和扭矩。有很多方法可以制定这一点。以及许多解决 ODE 生成系统的技术。

作为一个起点,我建议解决一个更简单的问题,让您了解所需的内容:双摆有许多在线演示可以解决双摆问题,包括这里的数学详细讨论、这里的 Flash 实现、这里的 javascript 版本和这里MATLAB 版本此外,一些实现仅将质量放置在关节处,而另一些实现则将质量均匀地分布在段上,因此您可以专注于您喜欢的那个。

一旦你理解了双摆问题,它就可以很容易地扩展到任意数量的段。在给定的段添加一个力只是意味着在该段的加速度方程中添加一个额外的力项,并且很容易实现。您的问题的最后一步是通过角动量守恒包括扭矩。我建议您在此之前实施您需要的一切,然后如果您需要帮助,然后再回来询问有关实施扭矩的更具体问题。

只是指出一个伟大的免费开源软件,它完全用于多体系统的建模,就像你的钓鱼竿一样。它叫做MBDyn,我用它来模拟多分量翼型的动力学。有大量可用的文档,还有描述物理学的幻灯片。例如参见本演示文稿的幻灯片 25,相互连接的可变形元件与钓鱼竿完全对应。

我建议您阅读教程并加入邮件列表以提问。我看过教授的介绍。Masarati 在那里他展示了如何使用 MBDyn 对整个直升机的大部分动力系统(叶片、旋翼传动装置、整个交易)进行建模和分析,所以我相当肯定名单上的人将能够指导你与您的模型。这样,您就不必为自己构建一个框架,以后在修改和扩展时可能会很僵硬。