接觸接頭

Inventor動力學模擬裡面其實有兩個接觸，一個是2D接觸，另外一個是3D接觸，很有趣的是這兩個接頭的上一層分類不同，3D接觸被歸類到力接頭，而不是放在接觸接頭中，詳細原因我也不清楚。

這一篇主要介紹2D 接觸，顧名思義就是利用2D輪廓來進行接觸碰撞的模擬計算。
那來的2D 輪廓？當然就是從2D草圖，所以要先準備兩個2D草圖輪廓來讓軟體計算接觸，相對3D接觸需要處理比較大量的幾何，2D接觸的優勢就是速度快，對於一些斷面形狀一致元件，例如機械上經常使用的凸輪與凸輪從動子(Cam follower，通常是帶軸的滾珠軸承，圓柱形狀)，或者是像汽車引擎的汽門曲軸關係，都很適合2D接觸。

所以要進行2D接觸設定的必要條件是需要有兩個帶封閉輪廓2D草圖的可以移動元件，如下圖示為Autodesk自學範例，是一個很典型的凸輪接觸對的模擬：

範例檔來源：Autodesk，下載連結

其中：
1. 凸輪(藍色透明元件)可以以軸心為中心進行旋轉運動
2. 汽門(黑色元件)可以上下進行平移運動
兩個元件都包含有一個封閉輪廓的2D草圖

進入Inventor動力學模擬環境中時，一般應該僅有從約束自動轉換的標準接合，如下圖所示：

注意瀏覽器提供的資訊：
"不動"下有一個 "support:1" 的標準接合
"移動群組"下有兩個元件，分別是 "cam:1" 跟 "valve:1"。
"標準接合"下有兩個標準接頭，分別是：
迴轉: 1 (support:1, cam:1)，括弧中前面的support:1 是不動元件(藍色座標)，cam:1 是移動元件
柱狀: 2 (support:1, valve:1)，括弧中前面的support:1 是不動元件(藍色座標)，valve:1 是移動元件
"外部負載"下有一個"重力"，但是顏色是灰色，表示被抑制住。

所以 "cam:1" 可以迴轉，"valve:1"可以上下移動，兩個移動元件+兩個自由度，所以如果要設定這兩個元件之間有相互影響的運動關係，就必須增加其他的接頭，不然在沒有設定的情況下，兩個元件是無關的，甚至可以互相穿透，如下動畫所示：

未設定2D接觸，兩個可移動元件之間沒有互動關係

一般來說，在零件設計時，已經被消耗掉的草圖會自動隱藏，所以為了要設定2D接觸，必須回到零件環境中開啟要用來作接觸 2D草圖的可見性，這個部份屬於一般Inventor操作，在此略過不提。

當有可見的2D草圖封閉輪廓以後，就可以開始進行設定，操作步驟："插入接頭"，選擇"2D接觸"，如下圖示：

迴路1選擇凸輪的2D草圖封閉輪廓，藍色線段
迴路2選擇汽門上的2D草圖圓，黃色線段

實務上，像迴路1選凸輪不一定要選2D草圖，也可以選擇由2D草圖擠出的凸輪面，如下圖示：

軟體也會自動投影與對應到該2D草圖的封閉輪廓，不過還是建議使用開啟了可見性的2D草圖封閉輪廓。

當加上了這個耦合條件以後，兩個元件就會發生互動關係，如下動畫：

其中第一個點選的元件稱為父元件 (Parent component)
第二個點選的元件稱為子元件 (Child component)

汽門在設定2D接觸條件後已經可以被凸輪推動甚至飛走，這是設定錯誤造成的？

不是，這樣的行為才是正確的，原因是正常設計的凸輪汽門組合還會加上彈簧，確保汽門桿會緊靠在凸輪，在加上彈簧設定後如下動畫所示：

看起來2D接觸設定很簡單，只要選兩個元件的封閉輪廓就可以，但是還有進一步的設定在接頭的性質中，從瀏覽器以滑鼠右鍵選擇性質後可以叫出對話視窗如下圖示：

其中有兩個設定值要給：恢復係數跟摩擦係數。
恢復係數：這是在碰撞發生時，用來描述能量損失的情況，就像鋼珠丟到鋼塊上，鋼珠的回彈量，如果設定1，等於碰撞行為是完全彈性，如果設定0就像是石頭丟到棉花堆裡完全不會回彈；設定值範圍從 0 到 1，預設是 0.8。
摩擦係數就是正向力作用後產生在相互運動位置的反作用力(阻止運動的持續進行)，設定範圍從 0 到 2，可設定超過 1 是因為考慮到某些特殊狀況例如熱、溼度、老化等造成特別大的摩擦作用。

透過以上兩個設定可以決定碰撞與滑動發生時在接觸面上的作用力，所以很重要，不同的設定會得到不同的計算結果。

再來要看右上角的兩個按鈕，是用來設定接觸面的法線方向，第一個帶藍色的是指第一個元件(父元件)，按下去就會翻轉法線方向，類推右邊第二個按鈕是翻轉第二個元件(子元件)的法線方向。

為什麼要翻轉法線方向？
首先先簡單說明何謂法線方向，舉一個圓柱為例，半徑方向就是法線方向，指向實體外部為正的方向，指向實體內部為負的方向。
如下圖示往外的直線就是圓柱面的法線正方向：

因此當使用2D草圖輪廓時，該輪廓的關聯實體法線方向向著哪一邊？上面的圓柱很清楚向外，但是若是選的是甜甜圈內側的圓輪廓，法線方向就是向著圓心為正。
所以2D草圖輪廓無法包含確定的法線方向資訊(跟實體有關)，雖然多數情況下軟體會自動參考實體體積作出正確的判斷，但是軟體還是提供了使用者可以翻轉法線方向的功能；法線方向會決定兩個碰撞的關聯方向。

在點選"更多"會開啟"顯示"設定，其中若勾選"作用力"，會顯示父元件作用在子元件的力量，反之勾選"反作用力"會顯示子元件作用在父元件的力量。


"正垂力"是法線方向的力量，相當於碰撞方向的垂直力量，
"切向力"是與法線垂直(切線方向)的力量
"結果力"是"正垂力"與"切向力"的合力
比例、顏色可以調整顯示箭頭大小跟顏色，"正垂力"紅色，"切向力"藍色，"結果力"綠色
如下圖示：

再來看輸出結果項目中可以得到哪些項目？

主要看Point 1，展開後有"力"、"狀態_接觸"跟"狀態_滾動"三個。
"力"繼續展開後，可以看到：
"力[1]"，相當於"結果力"
"力[1][X]"，相當於"切向力"
"力[1][Y]"，垂直草圖平面的力，通常為 0
"力[1][Z]"，相當於"正垂力"
"狀態_接觸"：1 代表兩個草圖輪廓有接觸，0 代表兩個草圖輪廓沒有接觸，0.5表示介於接觸與未接觸
"狀態_接觸"：1 代表兩個草圖輪廓有滾動，0 代表兩個草圖輪廓沒有滾動，0.5表示介於滾動與未滾動，上面這個例子只有滑動沒有滾動，所以值為 0。

有時結果會出現在Point 2或Point 3(非常少)，原因與邏輯規則我找不到資料說明。