一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法技术

本发明专利技术提出了一种对三角形网格加筋圆筒结构进行自动参数化有限元建模的方法。本发明专利技术建立了三角形网格加筋圆筒结构的参数化建模方法，并用MSC.PCL语言编程实现，建模参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w等共计7个，在满足合理组合的前提下，上述7个参数的任意组合都可以快速建立有限元分析模型，经实测在日常微机上建模时间约5秒。本方法具有建模自动化水平高、速度快、单元质量好，分析精度高的优点，配合优化设计软件，比如Isight，可以实现三角形网格加筋结构的高精度、快速优化分析。

【技术实现步骤摘要】
一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法
本专利技术提出了一种对三角形网格加筋圆筒结构进行自动参数化有限元建模的方法，适用于对采用三角形网格加筋圆筒的导弹武器壳体、贮箱筒段等结构的快速有限元建模分析和基于参数化建模的优化设计工作。
技术介绍
通过参数化建模技术建立结构的参数化有限元模型，利用优化软件，比如Isight对模型进行封装和调用，在其优化算法调度下可以实现结构的高精度优化设计。三角形网格加筋圆筒轻质高强，承载能力高，广泛应用于导弹武器壳体、推进剂贮箱筒段等结构形式。对三角形网格加筋结构进行优化设计，是提高结构效率，最大发挥结构形式的承载潜力的必要过程。但由于结构形式复杂，目前缺乏对三角形网格加筋圆筒结构的有效参数化有限元建模方法，也就无法实现基于有限元分析的高精度优化设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，该方法建模效率和模型精度高。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术的一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，该方法基于MSC.Patran的PCL语言建立三角形网格加筋圆筒结构的参数化有限元模型，圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w等可以自由调整；步骤为：第一步，根据给定的结构设计参数(结构设计参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w)计算建模所需的结构主要特征参数，主要特征参数包括三角形加筋网格的高度H′、三角形加筋网格的层数m、上下端网格高度Hb。计算方法如下：三角形加筋网格的高度H′：为了避免圆筒上端下端网格不足一层部分过于短小，影响有限元网格划分质量和分析效果，三角形加筋网格的层数m需要特别处理，计算方法为：首先取m＝int(H/H′)，int表示取整数；如果m·H′>H则三角形加筋网格的层数m减1；如果H-m·H′≤0.5H′，三角形加筋网格的层数m减1；上下端网格高度Hb：Hb＝(H-H′·m)/2(2)第二步，建立平面单胞网格单元。在完整网格区，每个三角形网格为一个单胞，包括正置和倒置两种。在圆筒上下端，不足一层网格部分，需要分别建立一个三角形单元单胞和一个梯形单元单胞。加强筋用梁单元模拟，共有8个单胞梁单元；第三步，阵列单胞单元形成圆筒的平面展开模型。通过两次阵列实现，第一次将两个完整三角形单胞单元和相应梁单元阵列m-1次，形成一个斜长条，第二次将这个长条整体阵列n-1次形成完整展开模型；第四步，对第三步得到的平面展开模型有限元网格进行细化，将每个三角形单元剖分为12个四边形单元，每个梯形单元剖分为16个四边形单元，每个梁单元剖分为4个梁单元。其中每个梁单元等分为4个梁单元，每个梯形单元剖分为4х4总计16个四边形单元，三角形单元首先剖分为3个四边形单元，然后每个四边形单元再剖分为2х2个四边形单元，总计每个三角形单元剖分为12个四边形单元；第五步将平面模型卷起为圆筒，方法为：1)建立节点坐标偏移函数。偏移函数的作用计算从节点二维展开坐标和圆筒坐标的偏移量，为空间向量函数。以平面网格位于“X-Y”平面为例，其中X方向为圆筒展开方向，Y方向为圆筒高度方向，坐标原点位于展开图左下角，“卷起”后的圆筒高度方向不变，其平面网格“卷起”的节点坐标偏移函数为：其中：R，圆筒外半径；t，蒙皮厚度sin()，弧度制正弦函数；cos()，弧度制余弦函数；θ，坐标原点“卷起”前后的连线与Z坐标轴的夹角，弧度制，以顺时针方向为正；X、Y、Z，节点坐标自变量；以平面网格按顺时针“卷起”时三角函数内的符号为正，反之则为负；2)按第一步所确定的偏移函数，通过移动节点坐标，将平面网格“卷起”为圆筒；3)消除圆筒对接线上的重复节点，应用MSC.Patran软件中“Equivalence”功能实现。第六步，建立材料和单元属性，其中蒙皮厚度、梁单元的高度和宽度均设为上文提到的蒙皮厚度t、周筋条高度h、宽度w可变参数的值。注意梁单元属性中需要考虑梁偏置属性，当蒙皮于中面建模时，筋条偏置量为h+0.5t，方向为径向向内。根据需要也可将梁单元拉伸为壳单元建模，此时壳单元的宽度为h+0.5t，厚度为w；第七步，建立载荷和边界条件。采用MSC.PCL语言，将上述步骤编成参数化建模脚本程序即可实现三角形网格加筋圆筒结构参数化建模。有益效果本专利技术建立了三角形网格加筋圆筒结构的参数化建模方法，并用MSC.PCL语言编程实现，建模参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w等共计7个，在满足合理组合的前提下，上述7个参数的任意组合都可以快速建立有限元分析模型，经实测在日常微机上建模时间约5秒。本方法具有建模自动化水平高、速度快、单元质量好，分析精度高的优点，配合优化设计软件，比如Isight，可以实现三角形网格加筋结构的高精度、快速优化分析。本专利技术根据结构形式特点，基于MSC.Patran的PCL语言，提出了一种有效的三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，解决了这一难题，为该结构形式的快速有限元仿真分析和高精度优化设计奠定了基础。本专利技术的方法是通过阵列网格单胞形成平面展开网格图，通过单元细化加密网格，通过节点坐标偏置将平面模型卷为圆筒模型。附图说明图1为本专利技术的建模过程：图2为三角形加筋网格的层数计算过程图3为将1个三角形单元剖分为12个四边形单元的方法图4为实施例的建模过程，其中图4(a)为平面单胞单元；图4(b)为一次阵列后得到的模型；图4(c)为二次阵列后得到的平面网格模型；图4(d)为单元一次细化剖分；图4(e)为单元二次细化剖分；图4(f)为将平面模型“卷起”圆筒并消除重复节点；图4(g)为最终模型的网格分布形式；图5为施加载荷及边界条件后的有限元模型。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，该方法基于MSC.Patran的PCL语言建立三角形网格加筋圆筒结构的参数化有限元模型，圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w等可以自由调整；步骤为：第一步，根据给定的结构设计参数(结构设计参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w)计算建模所需的结构主要特征参数，主要特征参数包括三角形加筋网格的高度H′、三角形加筋网格的层数m、上下端网格高度Hb。计算方法如下：三角形加筋网格的高度H′：为了避免圆筒上端下端网格不足一层部分过于短小，影响有限元网格划分质量和分析效果，三角形加筋网格的层数m需要特别处理，计算方法为：首先取m＝int(H/H′)，int表示取整数；如果m·H′>H则三角形加筋网格的层数m减1；如果H-m·H′≤0.5H′，三角形加筋网格的层数m减1，如图2所示；上下端网格高度Hb：Hb＝(H-H′·m)/2(2)第二步，建立平面单胞网格单元。在完整网格区，每个三角形网格为一个单胞，包括正置和倒置两种。在圆筒上下端，不足一层网格部分，需要分别建立一个三角形单元单胞和一个梯形单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，其特征在于步骤为：第一步，根据给定的结构设计参数计算建模所需的结构特征参数，特征参数包括三角形加筋网格的高度H′、三角形加筋网格的层数m、上下端网格高度Hb；计算方法如下：三角形加筋网格的高度H′：H′=π(R-0.5t)ntan(θ)---(1)]]>上下端网格高度Hb：Hb＝(H‑H′·m)/2                   (2)所述的结构设计参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w；第二步，建立平面单胞网格单元；在完整网格区，每个三角形网格为一个单胞，包括正置和倒置两种；在圆筒上下端，不足一层网格部分，建立一个三角形单元单胞和一个梯形单元单胞；加强筋用梁单元模拟，共有8个单胞梁单元；第三步，阵列单胞单元形成圆筒的平面展开模型；通过两次阵列实现，第一次将两个完整三角形单胞单元和相应梁单元阵列m‑1次，形成一个斜长条，第二次将这个长条整体阵列n‑1次形成完整展开模型；第四步，对第三步得到的平面展开模型有限元网格进行细化，将每个三角形单元剖分为12个四边形单元，每个梯形单元剖分为16个四边形单元，每个梁单元剖分为4个梁单元；其中每个梁单元等分为4个梁单元，每个梯形单元剖分为4×4总计16个四边形单元，三角形单元首先剖分为3个四边形单元，然后每个四边形单元再剖分为2×2个四边形单元，总计每个三角形单元剖分为12个四边形单元；第五步将平面模型卷起为圆筒，方法为：1)建立节点坐标偏移函数；偏移函数的作用计算从节点二维展开坐标和圆筒坐标的偏移量，为空间向量函数；以平面网格位于“X‑Y”平面，其中X方向为圆筒展开方向，Y方向为圆筒高度方向，坐标原点位于展开图左下角，“卷起”后的圆筒高度方向不变，其平面网格“卷起”的节点坐标偏移函数为：(R-0.5t-Z)sin(±X/R+θ)-X0(R-0.5t-Z)cos(±X/R+θ)-Z···(3)]]>其中：R，圆筒外半径；t，蒙皮厚度sin()，弧度制正弦函数；cos()，弧度制余弦函数；θ，坐标原点“卷起”前后的连线与Z坐标轴的夹角，弧度制，以顺时针方向为正；X、Y、Z，节点坐标自变量；以平面网格按顺时针“卷起”时三角函数内的符号为正，反之则为负；2)按第一步所确定的偏移函数，通过移动节点坐标，将平面网格“卷起”为圆筒；3)消除圆筒对接线上的重复节点，应用MSC.Patran软件中“Equivalence”功能实现；第六步，建立材料和单元属性，其中蒙皮厚度、梁单元的高度和宽度均设为上文提到的蒙皮厚度t、周筋条高度h、宽度w可变参数的值；当蒙皮于中面建模时，筋条偏置量为h+0.5t，方向为径向向内；梁单元拉伸为壳单元建模，此时壳单元的宽度为h+0.5t，厚度为w；第七步，建立载荷和边界条件；将上述步骤编成参数化建模脚本程序即可实现三角形网格加筋圆筒结构参数化建模。...

【技术特征摘要】
1.一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，所述的三角形网格加筋圆筒结构为一个半径R＝850mm，高H＝800mm，每周网格数n＝36个网格，蒙皮厚t＝3mm，筋条高h＝8mm，筋条宽w＝4mm，筋条交叉角度θ＝60°，材料为铝合金，受轴压1000kN作用的三角形网格加筋圆筒结构：在参数化建模脚本程序的开头部分填写模型的设计参数值，包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h和宽度w；运行该脚本程序完成有限元建模；其特征在于该方法的步骤为：1)计算结构特征参数，根据下式求得三角形加筋网格的高度H′：首先求得三角形加筋网格的层数m，m＝int(H/H′)＝6，此时m·H′＝769.5>H，但H-m·H′＝30.5<0.5H′＝64.125，因此需m减1得：m＝5根据下式求得上下端网格高度Hb：Hb＝(H-H′·m)/2＝79.3752)建立平面单胞网格单元，包括4个三角形单元，两个高度为H′＝128.25，另外两个高度为Hb＝79.375，2个高度为Hb的等边梯形状四边形单元，还有8个梁单元；此步骤需要的PCL函数有：节点创建函数：fem_create_nodes_1()；梁、三角形和四边形单元创建函数：fem_create_elems_1()；3)通过阵列单胞单元形成圆筒结构的平面展开图；通过两次阵列实现，第一次将高度为H′的三角形单元和相关梁单元阵列m-1＝4次，第二次将当前所有单元阵列n-1＝35次，PCL函数有：单元阵列函数：fem_translate_elems_2()；4)剖分单元细化网格，通过两次单元剖分将所有三角形单胞单元剖分为12个四边形单元，梯形单胞单元剖分为16个四边形单元，梁单胞单元剖分为4个更小的梁单元，PCL函数有：将三...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立朋，朱振涛，曹昱，闫冰，佟文敏，王婧超，王江，徐卫秀，吴浩，王斌，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11