2017/2/12

自由度的“內力”

有機構=有質量,有質量的元件要動需要力量,從牛頓第二運動定律 F=ma (T=Iα) ,就可以在計算出力量以後得到加速度(角加速度)來描述運動狀態。
至於機構所受到的力量形式可以分成機構本身移動過程中的力量,跟來自外部的力量,其中有關機構本身的力量可以視為機構的內部力量(Internal force)。
這個內部力量的設定可以在Inventor動力學模擬標準接頭的各自由度性質中的"啟用接合力"頁籤中進行設定,設定的力量作用方向一律與自由度方向平行,方向與自由度的座標方向相同,如下圖:
自由度性質頁籤 2 啟用接合力,預設未啟用

自由度性質頁籤 2 啟用接合力,啟用後才能設定
內部力量總共有四種 : 1.作用力,2.阻尼力,3.彈簧力,4.摩擦力等四種方向與自由度平行的內力。

至於跟該自由度所屬元件與其他元件之間的作用力與反作用力,或者以外部力量、力矩施加的外部負載,會由軟體程式依幾何等關係自動計算,這些外部力量會跟自由度內部力量合併成結果中的“接頭作用力”,如下圖紅色框內項目 :
輸出圖表產生中標準接頭自由度的接頭作用力結果
以下簡單介紹四種力量的意義:

1. 作用力:
與自由度平行方向的內部作用力設定,直接給大小,方向與自由度座標方向相同
可以讓工程師直接指定的內部作用力,通常是以下三種力量參數無法設定,又跟該自由度密切相關的力量。

2. 阻尼係數:
單位為 "力 / 速率",力量作用方向與移動方向相反
可以反應元件在該自由度有運動時,速度所造成的阻力效應,速度越快,反作用力越大,類似空氣 (或流體)阻力的情況; 實務上的常見機構元件是避振器,避振器內部透過流體受壓流動通過小孔產生阻尼阻力,動能轉換成流體流動磨擦的熱能。

3. 彈簧作用力:
可以想像在該元件的自由度上掛上一個彈簧,當機構移動時,彈簧會被拉伸或壓縮而產生對應的拉力(將機構循該自由度拉回)或推力(將該機構推出); 需要設定兩個數值,一個是自由位置,意義上是彈簧自由不受力時的自由度位置; 另一個是彈性係數,設成正值,會使機構往自由度正方向移動時受到拉力,設成負值會使機構往自由度正值移動時受到推力。
彈簧力因為會跟位置有關,會隨著位置改變力量大小,在與3D接觸條件同時使用時,很容易會有模擬計算無法收斂的狀況發生。

4. 摩擦力:
顧名思義就是給定磨擦係數,計算與自由度垂直的作用力會產生的摩擦力,注意 “與自由度垂直的作用力 ”這個條件,對水平移動的機構如果沒有設定重力方向,機構本身的重量就不會有摩擦力的作用,但是如果有另外其他正向力作用,就會有該正向力引發的摩擦力作用。

以上的數值都可以給定常數,或以時間為變數的函數,或參考某些變數而改變,同樣會另外有一小節說明輸入圖表產生器的使用。

以上四種數值會加總計算所有自由度的總和列在結果的“關節作用力”項目中。
若啟用接合作用力,輸出圖表產生器的標準接頭自由度結果中會出現"關節作用力",若沒有啟用該項不會出現。


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