最近有一条新闻，说在格陵兰岛的巨大冰层下，科学家发现了新的恐龙，是一种中等体型的长颈食草恐龙，名为双足龙，生活在大约2.14亿年前。第三部《侏罗纪世界》系列电影《侏罗纪世界：主宰》也将于2022年夏天上映，正值元旦假期，我就在家重温了《侏罗纪世界》，作为Altair工程师，有一个场景让我印象深刻，也蠢蠢欲动想要通过仿真来验证看看。
《侏罗纪世界》中一个引人注目的部分是公园里使用的玻璃陀螺球车。在这个场景中，吉米·法伦（脱口秀主持人，国内一般称为肥伦）突然出现在视频屏幕上，介绍陀螺球车的安全规范，此时，它正准备滚过满是散养恐龙的田野。
人们坐上这些巨大的、滚动的玻璃球去看恐龙，或者他们把自己的安全放在吉米·法伦的手中，一时之间竟不知道哪一项更令人担忧，毕竟肥伦的搞笑形象深入人心。
尽管有低劣的安全标准，电影里说陀螺球车的设计可以使游客接近恐龙而不会有任何危险，因为玻璃框架可以承受50口径子弹的射击，并保护游客免受这些爬行动物毒液的影响。（冷知识：为了拍摄，这些车辆不只是特效合成的—它们真的被建造出来并且通过球轴在轨道上滚动）。
尽管公园声称它坚不可摧，但正如我们在这一幕中所看到的，暴虐霸王龙抓住了 Ben 和 Kenji 所驾驶的陀螺球车，用它的爪子轻轻一拍就穿透了陀螺球车的玻璃。几分钟后，在恐龙用它强大的爪子将车拍成碎片之前，他们顺利逃脱了。
在Geomechanica公司Irazu软件的帮助下，我们成功仿真了在现实世界中需要多大的力量才能打破陀螺球车的厚玻璃。在这个仿真中我们要探讨的问题是：暴虐霸王龙巨爪的力量是否真的足以打破玻璃，还是电影忽略了物理学而让特效团队来主导？我决定对此进行测试。
Irazu软件专门从事岩体力学研究，由于玻璃拥有与岩石类似的脆性断裂特性，该软件是我们进行仿真的最佳选择。
陀螺球车建模
我们首先建立了一个陀螺球车的三维模型。鉴于结构的对称性，只需对陀螺球车的一半进行建模，做成一个空心半球，其外径等于1米，厚度为10厘米。我还加入了2厘米厚的聚合材料层，以便更好地表征复合防弹玻璃的层状结构。此外，还将暴虐霸王龙的一只爪子纳入模型，用一个10厘米长的截顶锥体表示，其上下直径分别等于4厘米和1.7厘米。
我们使用四面体网格对这个半球进行网格划分，共建立大约80000个单元，在牙齿与半球接触的区域对网格进行加密（2毫米）以获得更高的分析精度。骨头、玻璃和聚合物使用各向同性的脆性材料本构，并被赋予适当的刚度和强度属性。我们定义爪子的速度为0.5米/秒，方向沿半球表面法向，来模拟暴虐霸王龙挥舞利爪刺破球体。
半球型的Irazu三维模型的几何形状，包括顶部的暴虐霸王龙的爪子。该模型被局部隐藏以显示空心结构。
仿真结果
陀螺球车玻璃在暴虐霸王龙爪子作用下，其裂纹的扩展在下面的模型动画中单独显示出来。
一旦爪子直接接触到玻璃，玻璃就开始碎裂失效；裂纹向下扩展，形成一个圆锥状的裂口。在压力增加的情况下，拉伸断裂以陀螺球的内表面为中心向周围延展。最后，一块圆锥形的玻璃在陀螺球的内部完全脱离，并向中心弹出（剥落）。
随着霸王龙爪子的压力增加，陀螺球车的玻璃开始开裂并破碎。
我们通过分析作用在爪子上的反作用力与爪子穿透球面深度的关系，推导出打破防弹玻璃所需的力。下面的仿真动画显示了玻璃在巨大的压力下断裂和分离的情况。
模型的剖面视图显示爪子在接触点破坏刺穿了玻璃，最终，玻璃碎片剥落到球面内侧。
如下图所示，记录到的峰值施加载荷为 2,800 kN（285 吨）。这也是相应的打破玻璃所需施加的载荷数值。
爪子/球面相互作用的载荷-位移曲线，说明需要2800千牛（285吨）的力来打破玻璃。
岩体力学测试实验室使用的典型液压机可提供的最大压力为1300千牛，从载荷曲线来看，这意味着，理论上讲，暴虐霸王龙的爪子需要提供两倍于工业采矿液压机的力量来打破高强度的玻璃。
那么，恐龙的爪子一挥就能发挥出这么大的力量吗？由于不再有任何现实生活中的恐龙来测试我们的假设（幸亏没有），所以我们不可能给出准确的答案。但我们认为，即使是最强大的恐龙也不可能发挥出现代采矿设备的岩体粉碎能力。尽管暴虐霸王龙无疑具有强大的力量，但它可能无法摧毁一个陀螺球车。
但不管怎么说，我也不打算最近就去侏罗纪公园逛逛，我宁愿这个实验仍然是假设性的。
关于 Geomechanica
Geomechanica是 Altair 合作伙伴联盟的成员，通过开发和应用最先进的数值模拟方法解决具有挑战性的岩体力学问题，为土木工程、采矿、石油工程和科学研究等行业创建解决方案，用户可以使用Irazu软件求解器技术创建定制的模型进行分析计算。
Irazu能够模拟岩体的变形、断裂和它们的耦合过程，为设计者提供计算能力，通过GPU计算以更高的精度进行模拟。有了更强的计算能力，设计人员无需对设计做出不准确的建模假设。
通过将各种多物理学求解器和高级功能整合到一个软件包中，Irazu 能够用于广泛的工程应用，包括但不限于挖掘、边坡稳定性、隧道工程、动态分析、采矿和储层地质力学。该技术作为一个多合一的模拟工具，用于设计和分析广泛的地质工程应用。
如果您有兴趣了解更多关于在采矿应用中使用地质力学分析的信息，请点击下方链接，观看由 Ove Arup & Partners、Altair 和 Geomechanica 主持的网络研讨会。
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关于 Altair澳汰尔
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