集總動(dòng)力學(xué)分子方法

產(chǎn)品：Abaqus/顯式

參考資料：

l粒子發(fā)生器

l離散粒子元

l*粒子發(fā)生器

概述

集總分子動(dòng)力學(xué)方法(LKM)是一種基于粒子的氣體建模方法。集總分子動(dòng)力學(xué)方法:

可用于模擬安全氣囊展開;使用PD3D元素模擬集總氣體分子;以及·使用粒子發(fā)生器來模擬安全氣囊充氣機(jī)。

概述

集總動(dòng)力學(xué)分子法(LKM)是一種基于粒子的模擬氣體的方法。集總動(dòng)力學(xué)分子法

l可用于模擬安全氣囊展開；

l使用PD3D元素模擬集總氣體分子；以及

l使用粒子發(fā)生器來模擬安全氣囊充氣機(jī)。

介紹

集總動(dòng)力學(xué)分子方法(LKM)是一種近似氣體宏觀行為的粒子方法。它的基礎(chǔ)是氣體動(dòng)理論，該理論認(rèn)為所有氣體都是由數(shù)量巨大的極小的分子組成的，它們處于不斷的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，只有4克的。

氦含有6.023x1023個(gè)分子，范德華半徑為140x109米。如此大量分子的存在，使得氣體分子的運(yùn)動(dòng)可以用統(tǒng)計(jì)的方法來處理。分子的平均行為決定了宏觀氣體的行為。由于每個(gè)氣體分子的數(shù)值模擬是不切實(shí)際的，LKM方法通過將許多氣體分子集中到一個(gè)單一的氣體顆粒(保留宏觀氣體行為)，減少了問題的大小。在LKM方法中，我們解決了氣體粒子的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)氣體動(dòng)理論，麥克斯韋一玻爾茲曼分布描述了在給定溫度下氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度。數(shù)字i表示氨原子在300開爾文溫度下的麥克斯韋-玻爾茲曼速度分布。氣體分子彼此間發(fā)生彈性碰撞，也與容器壁發(fā)生彈性碰撞。容器壁上的壓力是與容器壁碰撞的結(jié)果。均方根氣體粒子的(RMS)速度由Vrms-3T給出，其中m是氣體分子的質(zhì)量，而Tis是氣體的絕對(duì)溫度。速度和溫度之間的這種聯(lián)系使得氣體流動(dòng)問題的解決可以以其分子速度作為一個(gè)基本問題變量。

圖1：麥克斯韋一玻爾茲曼速度函數(shù)。

LKM方法基于以下假設(shè)：

l集總顆粒是發(fā)生彈性碰撞的剛性球形顆粒。

l集總粒子服從麥克斯韋-玻爾茲曼速度分布。

l模擬單原子氣體的集總粒子只有平動(dòng)能。

l集總粒子模擬多原子氣體具有平移和旋轉(zhuǎn)能量。

l氣體的溫度低到可以忽略振動(dòng)能。

l粒子之間不存在吸引力或排斥力。

l氣體施加在結(jié)構(gòu)上的壓力是顆粒在表面上隨時(shí)間推移碰撞的綜合結(jié)果。

LKM方法的預(yù)測的準(zhǔn)確性取決于集總分子的大小和數(shù)量。使用太少的顆?；蚴褂锰蟮念w粒可能會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的解決方案。雖然大量的粒子在一般情況下增加的解決方案的準(zhǔn)確性，它也增加了計(jì)算成本。在一個(gè)可接受的計(jì)算成本，給出了一個(gè)準(zhǔn)確的解決方案的粒子的最佳數(shù)目取決于氣體的量，腔的大小，和腔的表面網(wǎng)格的離散化。對(duì)于一個(gè)小規(guī)模的問題，100,000個(gè)氣體粒子可能就足夠了，而對(duì)于一個(gè)更大的問題，可能需要400.000個(gè)氣體粒子。一般的指導(dǎo)原則是，粒子的數(shù)量應(yīng)當(dāng)足夠大，使得平均小面質(zhì)量與氣體粒子質(zhì)量之比大于30。該比率打印在status(sta)文件中。您可以使用此比率來檢查顆粒的數(shù)量是否足以進(jìn)行分析。

應(yīng)用程序

LKM方法可以用來模擬安全氣囊的展開。這類分析通常作為汽車乘員安全評(píng)估的一部分進(jìn)行。安全氣囊是一種安全裝置，在車輛碰撞過程中可以最大限度地減少對(duì)乘員的傷害。在碰撞過程中，安全氣囊經(jīng)歷了快速膨脹，然后放氣，這緩沖了乘員和車輛內(nèi)部之間的沖擊。安全氣囊有各種類型，比如放置在方向盤上的駕駛員安全氣囊，放置在車門面板上的側(cè)簾式安全氣囊，以及放置在座椅上的側(cè)軀干式安全氣囊。大多數(shù)安全氣囊由一個(gè)柔軟的織物制成的氣囊、一個(gè)充氣裝置、一個(gè)電子控制器和傳感器組成。不同類型的安全氣囊使用不同類型的充氣機(jī)。大多數(shù)充氣機(jī)由一個(gè)圓柱形的金屬外殼組成，其中包含推進(jìn)劑和點(diǎn)火器。在充氣機(jī)的外殼上有小孔，當(dāng)充氣機(jī)點(diǎn)火時(shí)，熱氣通過小孔逸出。

安全氣囊可以緊緊地折疊或纏繞在充氣機(jī)周圍，以適應(yīng)在一個(gè)狹窄的空間，如方向盤裝配。如果發(fā)生碰撞，控制器會(huì)評(píng)估傳感器發(fā)出的信號(hào)，然后點(diǎn)燃點(diǎn)火器，在充氣機(jī)中引發(fā)可控爆炸。迅速膨脹的氣體通過充氣機(jī)殼體中的孔排出以展開安全氣囊。展開持續(xù)時(shí)間取決于安全氣囊的大小和類型，通常在20-30毫秒之間。最后，當(dāng)安全氣囊在乘員和車輛之間被擠壓時(shí)，氣體通過安全氣囊上的排氣口逸出，導(dǎo)致安全氣囊放氣。

圖2顯示了部分展開的簾式安全氣囊與剛性半球形頭部接觸的剖視圖。圖中微小體積氣體的特寫視圖顯示了隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的氣體顆粒。在模擬中，充氣機(jī)在安全氣囊內(nèi)引入氣體顆粒，根據(jù)麥克斯韋-玻爾茲曼速度函數(shù)和其速度的隨機(jī)方向賦予每個(gè)顆粒一個(gè)隨機(jī)速度?？焖僖苿?dòng)的氣體粒子對(duì)安全氣囊的面的沖擊導(dǎo)致在氣體和安全氣囊之間的能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)氣體粒子與遠(yuǎn)離它的小面碰撞時(shí)，它的速度減小;當(dāng)氣體粒子與靠近它的小面碰撞時(shí)，它的速度增加。所有的碰撞都是彈性的。充氣機(jī)繼續(xù)將更多的氣體顆粒引入安全氣囊，將其推開。隨著更多氣體顆粒的速度在與膨脹的安全氣囊碰撞之后降低，氣體顆粒的均方根(RMS)速度降低。集總分子的平均速度的降低相當(dāng)于注入氣體的冷卻。

圖2：部分展開的安全氣囊。

溫馨提示：

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