Abaqus显示动力学模拟台球撞击案例教学 原创

一、案例概述

1.1 案例目的

本案例旨在帮助学习者掌握利用Abaqus显示动力学模块模拟台球撞击过程的完整流程，包括几何建模、材料定义、接触设置、分析步参数配置、网格划分及结果后处理等核心操作。通过本案例的学习，学习者能够深入理解显示动力学在解决瞬态撞击问题中的应用原理，掌握撞击过程中速度、应力、接触力等关键物理量的提取与分析方法。

1.2 问题描述

模拟“球杆撞击台球-台球正碰”的完整过程，分为两个分析步：step-1为球杆向后拉后向前撞击台球A的过程，使台球A获得运动速度；step-2为台球A撞击台球B的过程，此阶段两个台球不受外力作用，同时球杆以100mm/s的速度向上移动退场，避免干扰两球碰撞结果。球桌（table）水平放置，台球A与台球B初始间距1270mm（沿球心连线方向）；忽略空气阻力，考虑球杆-台球、台球-台球、台球-球桌间的摩擦。

1.3 涉及知识点

(1) Abaqus显示动力学分析步的创建与参数设置；

(2) 三维实体几何建模与装配；

(3) 弹性材料参数定义；

(4) 通用接触（General Contact）的设置与摩擦系数定义；

(5) 结构化/非结构化网格划分及质量检查；

(6) 初始速度与固定约束的施加；

(7) 后处理中关键物理量的提取与可视化分析。

二、前期准备

2.1 软件环境

Abaqus 2021及以上版本。

2.2 模型基础参数

参数名称	数值	说明
台球直径	52mm	标准斯诺克台球尺寸
台球密度	1400kg/m³	酚醛树脂台球材料密度
弹性模量	3500MPa	酚醛树脂弹性模量（单位：MPa）
泊松比	0.3	酚醛树脂泊松比
两球初始间距	1270mm	两球球心之间的距离，避免初始接触干涉
球杆撞击速度	50mm/s	step-1中球杆沿X轴正方向撞击台球A
摩擦系数（球-球）	0.1	光滑台球表面，摩擦较小
摩擦系数（球-桌面）	0.1	台球与桌面的滑动摩擦
球杆尺寸（长度×直径）	1000mm×10mm	木质球杆常规尺寸，设为刚体
球桌尺寸（长度×宽度×厚度）	2830mm×1550mm×100mm	标准台球桌尺寸，容纳两球及球杆运动范围
球桌密度	800kg/m³	木质球桌材料密度
球桌弹性模量	8000MPa	木质球桌材料弹性模量（单位：MPa）
球桌泊松比	0.3	木质球桌材料泊松比
摩擦系数（球杆-台球）	0.1	球杆与台球表面摩擦
球杆退场速度	100mm/s	step-2中球杆沿Z轴正方向向上退场

三、详细建模步骤

3.1 创建部件（Part）

(1) 打开Abaqus，进入Part模块，点击【Create Part】，名称设为“Ball”，建模空间选择“3D”，类型选择“Deformable”，基准特征选择“Solid”，点击【Continue】。

(2) 采用旋转特征创建球体：点击【Sketch】进入草图模块，选择“XY Plane”为草图平面，绘制一半径为26mm的半圆（直径52mm），圆心位于坐标原点。

(3) 退出草图，点击【Revolve】，选择绘制的半圆作为旋转对象，旋转轴选择Y轴，旋转角度设为360°，点击【OK】，完成单个台球部件的创建。

(4) 由于两个台球尺寸相同，无需重复建模，后续装配时直接复制该部件即可。

(5) 创建球杆部件（gan）：点击【Create Part】，名称设为“gan”，建模空间选择“3D”，类型选择“Analytical Rigid”（刚体，无需材料参数），基准特征选择“Solid”，点击【Continue】。采用拉伸特征创建：点击【Sketch】进入草图模块，选择“XY Plane”为草图平面，绘制直径10mm的圆（圆心位于坐标原点）；退出草图，点击【Extrude】，设置拉伸长度1000mm，拉伸方向沿X轴正方向，点击【OK】，完成球杆部件创建。

(6) 创建球桌部件（table）：点击【Create Part】，名称设为“table”，建模空间选择“3D”，类型选择“Deformable”（或“Analytical Rigid”，刚性球桌可减少计算量），基准特征选择“Solid”，点击【Continue】。采用拉伸特征创建：点击【Sketch】进入草图模块，选择“XY Plane”为草图平面，绘制2830mm×1550mm的矩形（左下角顶点位于坐标原点）；退出草图，点击【Extrude】，设置拉伸厚度80mm，拉伸方向沿Z轴负方向，点击【OK】，完成球桌部件创建。

3.2 定义材料与截面（Property）

(1) 进入Property模块，点击【Create Material】，名称设为“Material-Ball”。在材料编辑窗口中，依次定义以下参数：Density：输入1400kg/m³；Elasticity：选择“Elastic”，输入弹性模量3500MPa（原3.5GPa，1GPa=1000MPa），泊松比0.3，点击【OK】。

(2) 创建球桌材料：点击【Create Material】，名称设为“Material-table”。定义参数：Density：800kg/m³；Elasticity：选择“Elastic”，输入弹性模量8000MPa（原8GPa，1GPa=1000MPa），泊松比0.3，点击【OK】。

(3) 点击【Create Section】，名称设为“Section-Ball”，类型选择“Solid”→“Homogeneous”，点击【Continue】；选择“Material-Ball”，点击【OK】。

(4) 点击【Create Section】，名称设为“Section-table”，类型选择“Solid”→“Homogeneous”，点击【Continue】；选择“Material-table”，点击【OK】。

(5) 点击【Assign Section】，分别选择部件“Ball”“table”，依次分配对应的“Section-Ball”“Section-table”，完成截面分配；球杆为刚体，无需分配截面。

3.3 装配部件（Assembly）

(1) 进入Assembly模块，点击【Instance Part】，分别选择“Ball”“gan”“table”，实例类型均选择“Dependent (mesh on part)”，依次创建实例“Ball-1”（台球A）、“Ball-2”（台球B）、“gan-1”（球杆）、“table-1”（球桌）。

(2) 调整球桌位置：点击【Translate Instance】，选择“table-1”，将其移动至坐标（0,0,26mm），确保球桌上表面（XY平面）与台球底部相切（台球球心Z坐标为0时，底部Z坐标为-26mm，球桌上表面Z坐标为0）。

(3) 调整两球位置：点击【Translate Instance】，选择“Ball-1”，沿X轴方向移动至坐标（0,0,0）（球心位于球桌上表面上方26mm）；选择“Ball-2”，沿X轴正方向移动至坐标（1270mm,0,0）（两球球心间距1270mm），确保两球球心连线沿X轴方向。

(4) 调整球杆位置：点击【Translate Instance】，选择“gan-1”，将其移动至坐标（-（1000mm+26mm+10mm）,0,0）（球杆一端位于台球A X轴负方向，与台球A间距10mm，球杆轴线与X轴重合，指向台球A），确保球杆撞击端与台球A球心在同一水平线上，满足向后拉后向前撞击的运动空间需求。

3.4 设置分析步（Step）

(1) 进入Step模块，点击【Create Step】，名称设为“step-1”，分析类型选择“Dynamic, Explicit”（显示动力学），点击【Continue】。

(2) 在step-1编辑窗口中设置关键参数：Description：输入“球杆向后拉撞击台球A过程”；Time period：设为0.2s（足够完成球杆撞击动作并使台球A获得稳定初速度）；

(3) 点击【Create Step】，名称设为“step-2”，分析类型选择“Dynamic, Explicit”，点击【Continue】。

(4) 在step-2编辑窗口中设置关键参数：Description：输入“台球A撞击台球B及球杆退场过程”；Time period：设为1s（足够完成两球碰撞全过程）；

(5) 关闭默认的“Initial”分析步的输出（可选）：右键点击“Initial”，选择【Edit Step】，在输出设置中取消所有输出项，点击【OK】，减少冗余数据。

3.5 定义接触（Interaction）

(1) 进入Interaction模块，点击【Create Interaction Property】，名称设为“Contact-Ball-Ball”，类型选择“Contact”，点击【Continue】；设置Tangential Behavior为“Friction”（Coulomb，摩擦系数0.1），Normal Behavior为“Hard Contact”，点击【OK】。

(2) 点击【Create Interaction Property】，名称设为“Contact-Ball-Table”，类型选择“Contact”，点击【Continue】；设置Tangential Behavior为“Friction”（Coulomb，摩擦系数0.1），Normal Behavior为“Hard Contact”，点击【OK】。

(3) 点击【Create Interaction Property】，名称设为“Contact-gan-Ball”，类型选择“Contact”，点击【Continue】；设置Tangential Behavior为“Friction”（Coulomb，摩擦系数0.1），Normal Behavior为“Hard Contact”，点击【OK】。

(4) 点击【Create General Contact】，名称设为“General_Contact_All”，点击【Continue】。

(5) 在通用接触编辑窗口中，选择“All instances”，接触属性分配：Ball-1与Ball-2之间分配“Contact-Ball-Ball”；Ball-1、Ball-2与table-1之间分配“Contact-Ball-Table”；gan-1与Ball-2之间分配“Contact-gan-Ball”；点击【OK】，完成接触设置。

3.6 施加约束与载荷（Load）

(1) 施加球桌固定约束：点击【Create Constraint】，名称设为“Constraint-table”，类型选择“Fix”，点击【Continue】；选择“table-1”的下表面（Z坐标为-80mm的面），点击【OK】，限制球桌所有自由度（全程有效）。

(2) 施加step-1球杆撞击速度：点击【Create Load】，名称设为“Load-gan-impact”，类型选择“Velocity/Angular Velocity”，步骤选择“step-1”，点击【Continue】；选择“gan-1”的所有表面，点击【OK】；在载荷编辑窗口中，设置X方向速度为50mm/s（沿X轴正方向向前撞击台球A），其他方向速度为0，点击【OK】。

(3) 施加step-2球杆退场速度：点击【Create Load】，名称设为“Load-gan-exit”，类型选择“Velocity/Angular Velocity”，步骤选择“step-2”，点击【Continue】；选择“gan-1”的所有表面，点击【OK】；在载荷编辑窗口中，设置Z方向速度为100mm/s（沿Z轴正方向向上退场），其他方向速度为0，点击【OK】（step-2载荷自动覆盖step-1球杆速度，无需手动删除前一步载荷）。

(4) 确认两球无额外外力：step-2中无需为台球A、台球B施加任何载荷，仅保留其与桌面、相互间的接触作用，确保两球在碰撞过程中不受外力干扰；取消激活原台球A的初始固定约束，使台球A可在球杆撞击下自由运动。

3.7 划分网格（Mesh）

(1) 进入Mesh模块，分别选择“Ball-1”“Ball-2”，点击【Seed Part Instance】，选择“By size”，输入单元尺寸50mm，点击【OK】；单元类型选择“C3D8R”，完成网格划分。

(2) 选择“gan-1”，点击【Seed Part Instance】，选择“By size”，输入单元尺寸50mm，点击【OK】；单元类型选择“C3D8R”，完成网格划分。

(3) 选择“table-1”，点击【Seed Part Instance】，选择“By size”，输入单元尺寸50mm，点击【OK】；单元类型选择“C3D8R”，完成网格划分。

(4) 网格质量检查：点击【Verify Mesh】，选择所有实例，检查Aspect Ratio、Skewness等指标，确保无不合格网格。

3.8 提交作业（Job）

(1) 进入Job模块，点击【Create Job】，名称设为“Job-1”，选择装配体“Assembly-1”，点击【Continue】。

(2) 在作业编辑窗口中，设置计算资源（根据电脑配置选择内核数量），点击【OK】。

(3) 点击【Submit】，提交作业，查看作业监控窗口，确保无错误（Error）或警告（Warning）提示，等待计算完成。

四、结果后处理（Visualization）

4.1 查看变形与应力分布

(1) 计算完成后，点击【Results】进入可视化模块，默认显示最后一步的结果。

(2) 查看变形云图：在左侧工具栏中选择【Contour】，变量选择“U”（位移），可观察到撞击后两球的位移变化，台球A沿X轴正方向移动，台球B沿X轴负方向反弹。

(3) 查看应力分布：变量选择“Mises”（米塞斯应力），可观察到撞击瞬间两球接触区域的应力集中现象，最大应力出现在接触点附近，符合弹性撞击的应力分布规律。

4.2动画演示撞击过程

(1) 点击左侧工具栏中的【Animate】→【Play】，可动态演示台球撞击的完整过程，直观观察两球的运动状态变化。

(2) 调整动画速度：通过【Animate】→【Animation Controls】，设置播放速度和循环方式，便于细节观察。

五、案例拓展与注意事项

5.1 案例拓展

• 改变初始撞击速度：调整球杆撞击速度，分析其对接触力、应力及反弹速度的影响；

• 考虑球杆旋转：在施加球杆速度时添加角速度，模拟带旋转的击球过程；

• 非正碰模拟：调整两球初始位置或球杆撞击角度，模拟斜碰过程；

• 材料非线性：将台球、球杆或球桌材料改为弹塑性，分析撞击过程中的塑性变形；

• 球桌弹性变形影响：将球桌设为可变形，对比刚性球桌与可变形球桌的模拟结果差异。

5.2 注意事项

• 显示动力学分析步的时间步长由Abaqus自动计算，无需手动设置；若某一步出现计算不稳定，可适当减小对应步骤的时间步长因子。

• 接触设置是本案例的关键，需重点检查step-1球杆与台球A、step-2两球间的接触对选择，确保接触属性分配正确，避免接触穿透或丢失；step-2中需确认球杆与台球无接触干涉。

• 网格尺寸对计算结果影响较大，本案例统一设置为50mm，需保证各部件网格均匀划分；虽会降低部分撞击细节捕捉精度，但能大幅提升计算效率，若需更高精度可适当减小尺寸，平衡计算效率与结果精度。

• 两步分析步的载荷衔接需准确：step-2球杆退场速度需指定步骤为“step-2”，确保仅在两球碰撞阶段生效；同时需删除台球A的初始固定约束，避免影响撞击运动。

• 提交作业前需核查step-1、step-2的时间周期合理性，确保step-1足够完成撞击、step-2足够完成碰撞；可通过预计算或参考相似案例调整时间参数。

• 球杆撞击速度和退场速度需合理设置：撞击速度过大易导致台球A应力超标，退场速度需确保球杆快速脱离碰撞区域，避免干扰两球运动轨迹。

六、总结

本案例通过Abaqus显示动力学模块设置两步分析步，完整模拟了“球杆撞击台球A-台球A撞击台球B”的全流程，新增球杆退场设置避免了结果干扰，涵盖多步骤分析步配置、分阶段载荷施加、多接触对管控等关键操作。学习者通过本案例可掌握多阶段瞬态撞击问题的模拟思路，深入理解分步骤分析中载荷衔接、时间周期匹配的核心要点，以及显示动力学在复杂多体交互问题中的应用技巧。在实际应用中，可通过调整两步分析步的时间周期、球杆运动参数等拓展模拟场景，进一步提升Abaqus软件的综合应用能力。

七、附件说明

(1) 完整教学文档：《Abaqus显示动力学模拟台球撞击案例教学.pdf》，包含本案例全流程的详细图文讲解、操作步骤及注意事项补充。

(2) 模型文件：taiqiu.cae，为案例的Abaqus原生模型文件，可直接用Abaqus软件打开，包含所有部件、材料、装配、分析步等设置。

(3) 输入文件：taiqiu.inp，Abaqus分析的输入文件，可用于提交计算或二次修改模型参数。

(4) 结果文件：taiqiu.odb，案例计算完成后的结果文件，可直接用于后处理分析，查看应力、速度等关键物理量分布及曲线。