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Three Rod-examples #456
base: update-0.3.3
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Three Rod-examples #456
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Original file line number | Diff line number | Diff line change | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
@@ -0,0 +1,268 @@ | ||||||||||||||||
# from charset_normalizer.legacy import ResultDict | ||||||||||||||||
from matplotlib import pyplot as plt | ||||||||||||||||
import numpy as np | ||||||||||||||||
import elastica as ea | ||||||||||||||||
from cantilever_distrubuted_load_postprecessing import ( | ||||||||||||||||
plot_video_with_surface, | ||||||||||||||||
Find_Tip_Position, | ||||||||||||||||
adjust_square_cross_section, | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
def Conservative_Force_Simulator(load, Animation=False): | ||||||||||||||||
class StretchingBeamSimulator( | ||||||||||||||||
ea.BaseSystemCollection, ea.Constraints, ea.Forcing, ea.Damping, ea.CallBacks | ||||||||||||||||
): | ||||||||||||||||
pass | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
stretch_sim = StretchingBeamSimulator() | ||||||||||||||||
final_time = 10 | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
# Options | ||||||||||||||||
PLOT_FIGURE = True | ||||||||||||||||
SAVE_FIGURE = False | ||||||||||||||||
SAVE_RESULTS = False | ||||||||||||||||
# setting up test params | ||||||||||||||||
n_elem = 100 | ||||||||||||||||
start = np.zeros((3,)) | ||||||||||||||||
direction = np.array([1.0, 0.0, 0.0]) | ||||||||||||||||
normal = np.array([0.0, 1.0, 0.0]) | ||||||||||||||||
base_length = 0.5 | ||||||||||||||||
base_radius = 0.01 / ( | ||||||||||||||||
np.pi ** (1 / 2) | ||||||||||||||||
) # The Cross-sectional area is 1e-4(we assume its equivalent to a square cross-sectional surface with same area) | ||||||||||||||||
base_area = np.pi * base_radius**2 | ||||||||||||||||
density = 1000 # nomilized with conservative case F=15 | ||||||||||||||||
youngs_modulus = 1.2e7 | ||||||||||||||||
dl = base_length / n_elem | ||||||||||||||||
dt = 0.1 * dl / 50 | ||||||||||||||||
I = (0.01**4) / 12 | ||||||||||||||||
end_force_x = (youngs_modulus * I * load) / (density * base_area * (base_length**3)) | ||||||||||||||||
# For shear modulus of 1e4, nu is 99! | ||||||||||||||||
poisson_ratio = 0.0 | ||||||||||||||||
shear_modulus = youngs_modulus / (2 * (poisson_ratio + 1.0)) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
rendering_fps = 30 | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
stretchable_rod = ea.CosseratRod.straight_rod( | ||||||||||||||||
n_elem, | ||||||||||||||||
start, | ||||||||||||||||
direction, | ||||||||||||||||
normal, | ||||||||||||||||
base_length, | ||||||||||||||||
base_radius, | ||||||||||||||||
density, | ||||||||||||||||
youngs_modulus=youngs_modulus, | ||||||||||||||||
shear_modulus=shear_modulus, | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
adjust_section = adjust_square_cross_section( | ||||||||||||||||
n_elem, | ||||||||||||||||
direction, | ||||||||||||||||
normal, | ||||||||||||||||
base_length, | ||||||||||||||||
base_radius, | ||||||||||||||||
density, | ||||||||||||||||
youngs_modulus=youngs_modulus, | ||||||||||||||||
shear_modulus=shear_modulus, | ||||||||||||||||
rod_origin_position=start, | ||||||||||||||||
ring_rod_flag=False, | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
stretchable_rod.mass_second_moment_of_inertia = adjust_section[0] | ||||||||||||||||
stretchable_rod.inv_mass_second_moment_of_inertia = adjust_section[1] | ||||||||||||||||
stretchable_rod.bend_matrix = adjust_section[2] | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
stretch_sim.append(stretchable_rod) | ||||||||||||||||
stretch_sim.constrain(stretchable_rod).using( | ||||||||||||||||
ea.OneEndFixedBC, constrained_position_idx=(0,), constrained_director_idx=(0,) | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
Conservative_Load = np.array([0.0, -end_force_x, 0.0]) | ||||||||||||||||
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|
||||||||||||||||
stretch_sim.add_forcing_to(stretchable_rod).using( | ||||||||||||||||
ea.GravityForces, acc_gravity=Conservative_Load | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
# add damping | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
damping_constant = 0.1 | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
stretch_sim.dampen(stretchable_rod).using( | ||||||||||||||||
ea.AnalyticalLinearDamper, | ||||||||||||||||
damping_constant=damping_constant, | ||||||||||||||||
time_step=dt, | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
# Add call backs | ||||||||||||||||
class AxialStretchingCallBack(ea.CallBackBaseClass): | ||||||||||||||||
There was a problem hiding this comment. Choose a reason for hiding this commentThe reason will be displayed to describe this comment to others. Learn more. Please change the class name to the case name accordingly |
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def __init__(self, step_skip: int, callback_params: dict): | ||||||||||||||||
ea.CallBackBaseClass.__init__(self) | ||||||||||||||||
self.every = step_skip | ||||||||||||||||
self.callback_params = callback_params | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
def make_callback(self, system, time, current_step: int): | ||||||||||||||||
if current_step % self.every == 0: | ||||||||||||||||
self.callback_params["time"].append(time) | ||||||||||||||||
self.callback_params["step"].append(current_step) | ||||||||||||||||
self.callback_params["position"].append( | ||||||||||||||||
system.position_collection.copy() | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
self.callback_params["com"].append( | ||||||||||||||||
system.compute_position_center_of_mass() | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
self.callback_params["radius"].append(system.radius.copy()) | ||||||||||||||||
self.callback_params["velocity"].append( | ||||||||||||||||
system.velocity_collection.copy() | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
self.callback_params["avg_velocity"].append( | ||||||||||||||||
system.compute_velocity_center_of_mass() | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
self.callback_params["center_of_mass"].append( | ||||||||||||||||
system.compute_position_center_of_mass() | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
self.callback_params["velocity_magnitude"].append( | ||||||||||||||||
( | ||||||||||||||||
stretchable_rod.velocity_collection[-1][0] ** 2 | ||||||||||||||||
+ stretchable_rod.velocity_collection[-1][1] ** 2 | ||||||||||||||||
+ stretchable_rod.velocity_collection[-1][2] ** 2 | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
** 0.5 | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
recorded_history = ea.defaultdict(list) | ||||||||||||||||
stretch_sim.collect_diagnostics(stretchable_rod).using( | ||||||||||||||||
AxialStretchingCallBack, step_skip=200, callback_params=recorded_history | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
stretch_sim.finalize() | ||||||||||||||||
timestepper = ea.PositionVerlet() | ||||||||||||||||
# timestepper = PEFRL() | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
total_steps = int(final_time / dt) | ||||||||||||||||
print(stretch_sim) | ||||||||||||||||
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print("Total steps", total_steps) | ||||||||||||||||
ea.integrate(timestepper, stretch_sim, final_time, total_steps) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
relative_tip_position = np.zeros( | ||||||||||||||||
2, | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
relative_tip_position[0] = ( | ||||||||||||||||
Find_Tip_Position(stretchable_rod, n_elem)[0] / base_length | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
relative_tip_position[1] = ( | ||||||||||||||||
-Find_Tip_Position(stretchable_rod, n_elem)[1] / base_length | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
print(relative_tip_position) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
if Animation: | ||||||||||||||||
plot_video_with_surface( | ||||||||||||||||
[recorded_history], | ||||||||||||||||
video_name="cantilever_conservative_distributed_load.mp4", | ||||||||||||||||
fps=rendering_fps, | ||||||||||||||||
step=1, | ||||||||||||||||
# The following parameters are optional | ||||||||||||||||
x_limits=(-0.0, 0.5), # Set bounds on x-axis | ||||||||||||||||
y_limits=(-0.5, 0.0), # Set bounds on y-axis | ||||||||||||||||
z_limits=(-0.0, 0.5), # Set bounds on z-axis | ||||||||||||||||
dpi=100, # Set the quality of the image | ||||||||||||||||
vis3D=True, # Turn on 3D visualization | ||||||||||||||||
vis2D=False, # Turn on projected (2D) visualization | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
relative_tip_position = np.zeros( | ||||||||||||||||
2, | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
relative_tip_position[0] = ( | ||||||||||||||||
Find_Tip_Position(stretchable_rod, n_elem)[0] / base_length | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
relative_tip_position[1] = ( | ||||||||||||||||
-Find_Tip_Position(stretchable_rod, n_elem)[1] / base_length | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
print(relative_tip_position) | ||||||||||||||||
return relative_tip_position | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
Conservative_Force_Simulator(15, Animation=True) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
x_tip_experiment = [] | ||||||||||||||||
y_tip_experiment = [] | ||||||||||||||||
x_tip_paper = [ | ||||||||||||||||
0.9912, | ||||||||||||||||
0.9309, | ||||||||||||||||
0.8455, | ||||||||||||||||
0.7613, | ||||||||||||||||
0.6874, | ||||||||||||||||
0.6249, | ||||||||||||||||
0.5724, | ||||||||||||||||
0.5281, | ||||||||||||||||
0.4906, | ||||||||||||||||
0.4584, | ||||||||||||||||
0.4306, | ||||||||||||||||
0.4064, | ||||||||||||||||
0.3851, | ||||||||||||||||
] | ||||||||||||||||
y_tip_paper = [ | ||||||||||||||||
0.1241, | ||||||||||||||||
0.3411, | ||||||||||||||||
0.4976, | ||||||||||||||||
0.6031, | ||||||||||||||||
0.6745, | ||||||||||||||||
0.7243, | ||||||||||||||||
0.7603, | ||||||||||||||||
0.7871, | ||||||||||||||||
0.8077, | ||||||||||||||||
0.8239, | ||||||||||||||||
0.8370, | ||||||||||||||||
0.8478, | ||||||||||||||||
0.8568, | ||||||||||||||||
] | ||||||||||||||||
Comment on lines
+193
to
+222
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load_on_rod = np.arange(1, 26, 2) | ||||||||||||||||
for i in load_on_rod: | ||||||||||||||||
x_tip_experiment.append(Conservative_Force_Simulator(i)[0]) | ||||||||||||||||
y_tip_experiment.append(Conservative_Force_Simulator(i)[1]) | ||||||||||||||||
Comment on lines
+224
to
+226
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Suggested change
|
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|
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|
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plt.plot( | ||||||||||||||||
load_on_rod, | ||||||||||||||||
x_tip_paper, | ||||||||||||||||
color="black", | ||||||||||||||||
marker="*", | ||||||||||||||||
linestyle="--", | ||||||||||||||||
label="Theoretical_x", | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
plt.plot( | ||||||||||||||||
load_on_rod, | ||||||||||||||||
y_tip_paper, | ||||||||||||||||
color="black", | ||||||||||||||||
marker="*", | ||||||||||||||||
linestyle=":", | ||||||||||||||||
label="Theoretical_y", | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
plt.scatter( | ||||||||||||||||
load_on_rod, | ||||||||||||||||
x_tip_experiment, | ||||||||||||||||
color="blue", | ||||||||||||||||
marker="s", | ||||||||||||||||
linestyle="None", | ||||||||||||||||
label="x_tip/L", | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
plt.scatter( | ||||||||||||||||
load_on_rod, | ||||||||||||||||
y_tip_experiment, | ||||||||||||||||
color="red", | ||||||||||||||||
marker="s", | ||||||||||||||||
linestyle="None", | ||||||||||||||||
label="y_tip/L", | ||||||||||||||||
) | ||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
plt.title("Conservative-Load Elastica Simulation Results") | ||||||||||||||||
# Title | ||||||||||||||||
plt.xlabel("Load") # X-axis label | ||||||||||||||||
plt.ylabel("x_tip/L and y_tip/L") # Y-axis label | ||||||||||||||||
plt.grid() | ||||||||||||||||
plt.legend() # Optional: Add a grid | ||||||||||||||||
plt.show() # Display the plot |
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