Modelling approaches

First it is good to know what approaches could be used in Simcenter Amesim. Below image shows how an example of an hydraulic check valve can be modelled with different approaches

1.       Functional component
A built in component that simulates the function of the check valve, without looking at detailed physics.

2.       Physical components
Built in components that simulate the involved physics to cause the function.

3.       Mathematical approach
If we know how the express the physics using analytical formulas, we can use the control&signal library to apply these formulas.

4.       Programming
If we have the knowledge required for the mathematical approach and have some programming experience, we can also use C-code to create a custom submodel.

5.       Miscellaneous
There are of course several other approaches available, from using a neural network, transfer functions, response surfaces, or co-simulations with external software(e.g. FMU, Simulink, CFD, FEM, python)

Each option has its use cases, in this example we will use a combination of 2 & 3. We will use physical components where available, to limit the amount of mathematics we have to do ourselves.

Modellierung – 3D-Mechanik

Da Fußball auf eine Mehrkörpersimulation vereinfacht werden kann, können wir die 3D-Mechanikbibliothek nutzen. Wir verwenden eine Baugruppenmanager-Komponente, um unsere Konfiguration im 3D-Raum anzuzeigen, und fügen dann unseren Ball einfach als 3D-Körper hinzu.

Durch die Verwendung verschiedener Kugelkontakte können wir die Wand (Kugel-Kasten-Kontakt), das Spielfeld (Kugel-Ebene-Kontakt) und das Tor (Kugel-Zylinder-Kontakt für Pfosten/Querlatte, Kugel-Ebene-Kontakt für das Netz) modellieren. Da wir Wind und Magnus-Kraft hinzufügen möchten, fügen wir bereits ein Signal zur Kraftkomponente mit einigen konstanten Eingaben von 0 N und 0 Nm hinzu und kümmern uns später um die Formeln.

Überprüfen Sie im Assembly Manager die Parameter für unsere mechanischen 3D-Komponenten im 3D-Raum.

Modellierung – Benutzerdefinierte Physik

Nachdem der Hauptteil des Modells fertiggestellt ist, besteht der nächste Schritt darin, unsere benutzerdefinierte Physik der Magnus-Kräfte hinzuzufügen. Wir verwenden die folgende Formel:

Unsere Formel enthält einige Konstanten, die wir vom Benutzer festlegen lassen, und die wir zu den globalen Parametern hinzufügen können, damit sie im gesamten Modell leicht zugänglich und wiederverwendbar sind. Die Variablen müssen aus dem Modell extrahiert werden. Wir können einige Sensoren zwischen der Kraft und dem Ball platzieren, um dessen Rotations- und Translationsgeschwindigkeit zu messen.

Wir können die X-, Y- und Z-Komponenten aus diesen Geschwindigkeiten extrahieren und sie als Eingaben für eine Ausdruckskomponente verwenden. Wir definieren die Formeln für die drei Ausgaben (Fx, Fy, Fz) als Funktionen der 6 Eingabe

Wir können die Windgeschwindigkeit von der Ballgeschwindigkeit abziehen, den Ansatz der Magnus-Kraft zur Berechnung der Widerstandskräfte und -momente wiederholen, alles miteinander verbinden und die resultierenden Kraft- und Momentkomponenten auf den Mittelpunkt unseres Fußballs anwenden.

Modellierung – Erweiterte Physik

Was aber, wenn die benötigten Physikkomponenten in Amesim enthalten sind, Sie jedoch Ihre eigene Funktionalität hinzufügen möchten? Ein Beispiel hierfür wäre das Hinzufügen eines besser geeigneten Reibungsmodells zu unserem Kontakt mit dem Feld.

Anstatt die Reibungsmodelle innerhalb des Kontakts zwischen Kugel und Ebene zu verwenden, können wir diese Reibung auf Null setzen und eine Reibungskraft/ein Reibungsmoment hinzufügen, das wir selbst berechnen.

Die Berechnung dieser Werte erfolgt anhand der Translations- und Rotationsgeschwindigkeitskomponenten sowie einer Höhenfunktion, um sicherzustellen, dass die Kraft bei fehlendem Kontakt gleich Null ist.

Wiederverwendung benutzerdefinierter Komponenten

Nachdem wir nun alle physikalischen Eigenschaften definiert haben, können wir unser Modell bereinigen. Wir können Komponenten zu Superkomponenten zusammenfassen. Auf diese Weise können wir alle für die Berechnungen verwendeten Komponenten hinter einer einzigen Komponente gruppieren und Parameter und Variablen auswählen, auf die wir leicht zugreifen können. Wir können weiterhin auf die Skizze hinter der Superkomponente zugreifen, müssen aber nicht mehr alle durchsuchen, um den Parameter zu finden, den wir ändern möchten.

Optional können wir einige Anzeige-Symbole für unsere Superkomponenten erstellen, diese in einer benutzerdefinierten Bibliothek speichern, damit wir sie in anderen Modellen wiederverwenden können, und sie verschlüsseln, damit wir sie mit externen Parteien teilen können, ohne unsere proprietären Methoden preiszugeben (Verbergen der Skizze hinter der Superkomponente).

Nachbearbeitung

Jetzt haben wir ein Modell, das wir ausführen können. Die Ergebnisse können mithilfe von Grafiken nachbearbeitet werden, aber da wir den Assembly Manager verwendet haben, können wir die Ergebnisse auch ganz einfach animieren.

Dadurch lässt sich viel besser visualisieren, was vor sich geht, ohne dass viel Arbeit erforderlich ist.
Ein letzter optionaler Schritt besteht darin, der Animation einige 3D-Modelle hinzuzufügen, die ausschließlich zur Visualisierung dienen. Die Ergebnisse sind im LinkedIn-Beitrag zu sehen.

Fazit

Hoffentlich hat dieser Artikel gezeigt, dass sich selbst etwas so Neuartiges wie ein Fußball-Freistoß gut für Simulationen eignet. Es gibt zwar keine vorgefertigte Bibliothek, die wir verwenden können, aber wir können unsere eigene Bibliothek mit unseren eigenen physikalischen Gesetzen erstellen. Möglich wird dies durch die geschickte Nutzung bereits verfügbarer Komponenten und ein gutes Verständnis der physikalischen Gesetze, die noch hinzugefügt werden müssen.

Der in diesem Artikel beschriebene Ansatz ist natürlich nicht auf die Simulation eines Freistoßes beschränkt. Ein ähnlicher Ansatz kann zur Simulation fast aller Dinge verwendet werden. Von Plasmasystemen über Vakuumsysteme und Produktionsanlagen bis hin zu anderen Sportarten.

Wenn Sie ein Problem haben, das simuliert werden muss, oder Hilfe bei der Erstellung Ihrer eigenen Bibliothek benötigen, zögern Sie nicht, uns über den unten stehenden Link zu kontaktieren.