基于VPS软件 吹气球的两种方法

前言

在本文中，我们将使用VPS软件(pam-crash)，模拟吹气球的过程，其中涉及到以下几个知识点：

1、材料问题，气球是橡胶超弹材料，如何定义这种材料。

2、两种方法，

方法一，将气体流入简化为均匀压力载荷；

方法二，使用均压气囊法。这种方法与安全气囊方法一致，从本方法中，大家可以学习安全气囊建模的方法。

材料卡片

气球网格为2D网格，材料对应的也需要采用2D材料。气球的实际材料为橡胶，具有超弹材料的特性，因此本文选用了mat_121。

气球材料卡片及材料参数

材料mat_121是一个粘弹性材料本构模型，它采用的是Maxwell方程。Maxwell模型通过一个弹簧单元和一个阻尼单元串联形成。

Maxwell材料模型

对于Maxwell模型，有以下关系：

在应变保持不变的基础上，应力会逐渐变小趋向于0，这种现象我们称之为应力松弛。Maxwell模型能够较好地表征橡胶的应力松弛行为。

边界条件设置

气球吹起膨胀的过程，实际上是将气体吹入气球内部，内部压力增大，向外膨胀的过程。因此，我们可以通过两种方法来模拟这一过程，方法一是一种简化的方式，既然本质上是压力增大，我们可以将模型简化为表面压力；方法二是采用均压安全气囊法，该方法与实际情况更加匹配。当然，既然是安全气囊，同样可以采用FPM法。

方法一

气体流入简化为压力，只需要设置一个压力卡片即可。

由于压力是有方向的，在设置压力之前，需要对模型的法向进行检查，保证法向的一致性，并明确法向的方向。本模型中，气球的法向是统一朝外的。

单元法向

VPS中，压力方向与单元法向相反，因此，在设置压力卡片时，输入负值为法线方向，正值为法线负方向。

压力载荷卡片

方法二

气囊建模可以使用均匀压力法(Uniform pressure) 和 FPM 方法 (Finite Point Method 有限点法)。本文将采用UP法进行气囊建模。安全气囊建模需要以下几点的注意事项：

1、封闭腔室，

2、单元法向统一，且整体向外，

3、安全气囊卡片内参数与整体定义的单位系统要统一，

……

下图所示是安全气囊卡片的整体结构：

安全气囊卡片整体结构

在气囊建模之前，需要先对单元法向进行检查，在方法一中，已经做过该检查，单元法向统一朝外，符合要求。因此，方法二的模型只需在方法一的模型中，添加气囊相关关键字即可实现。

该气囊模型只有一个单一的腔室，在气囊关键字中，定义chamber和质量流曲线即可。

最终定义好的气囊卡片如下图所示：

安全气囊卡片

结果后处理

由这两种不同的方法，均可以还原吹气球的过程，动画结果如下图所示。

 

动画结果(上：压力载荷法，下：UP气囊法)

通过动画结果，可以看到两种方法的区别：方法一，体现的是恒定压力长时间作用下气球膨胀的过程；方法二，体现的是在短时间内，气体流入气球后，气球膨胀的过程，方法二的结果更符合实际结果。

其计算得到的表压结果如下图所示。

Gauge_Pressure

结束语

本文采用了UP法进行气囊建模。该方法，假设气囊内部是均压的，基于理想气体方程，也是某种程度简化的模型。

除了用均匀压力法，气囊还可以使用FPM 方法。FPM法可以模拟出气体粒子流动的过程，更加接近实际情况，但对该模型的精度并不会有更大的提升。只有在其他更复杂的气囊模型中，我们才需要用FPM法来提升精度。当然，感兴趣的同学，也可以试一下FPM法。

最后，崭新的一年已经开始了，祝大家在2024年都能实现自己的愿望。

希望优秀的你，不要膨胀，不忘初心，继续砥砺前行。

感谢阅读！

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文字 · TechManLxs

校核 · Jason

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