一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法技术

本发明专利技术提供一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法，考虑到随着荷载的施加和变形的积累，材料在自由曲面创建过程中出现的微观损伤：1.考虑损伤的自由曲面创建能够保证自由曲面的受力性能和整体刚度处于局部最优；2.现有创建方法中不考虑自由曲面的损伤会造成的自由曲面创建结果偏于不安全，通过以上技术方案可以改进这一缺点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自由曲面形态创建方法，特别涉及一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法。
技术介绍
国内外目前自由曲面结构的形态创建方法可以概括为以下两种：1.基于试验的物理方法，即以工程经验或物理实验为主要手段，有意识地确定合理结构形状；2.基于数值的优化方法，即基于计算机技术，以计算机图形学和结构优化等为手段创建合理结构形态。在现有的自由曲面形态结构创建方法中，自由曲面的模型都采用线弹性的方法进行分析和优化。此类方法没有考虑到随着荷载的施加和变形的积累，材料在自由曲面创建过程中出现的微观损伤。而材料的损伤将直接导致结构刚度下降，因此如果不考虑材料的削弱对结构设计的影响，会导致结构设计偏于不安全。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法。该方法算法简单有效，考虑自由曲面创建过程中的材料损伤。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法，具体方法步骤如下：步骤1，根据给定的初始自由曲面的一组控制点坐标初始化自由曲面；步骤2，对步骤1得到的初始化自由曲面进行网格划分，得到三角形薄壳单元；步骤3，计算步骤2得到的三角形薄壳单元的单元坐标系下的刚度矩阵；步骤4，计算整体坐标下的单元刚度矩阵；步骤5，经过总纲集成得到自由曲面结构的整体刚度矩阵；步骤6，加入Mazars损伤模型，对结构施加荷载，分N个荷载步进行加载，每个荷载步内存在M个迭代步，计算自由曲面壳体位移；步骤7，采用应变能作为自由曲面结构创建的优化目标，节点坐标作为自由曲面结构创建的优化变量，通过节点荷载和节点位移计算应变能；步骤8，对考虑Mazars损伤的自由曲面的控制点进行高度调整；步骤9，设置优化精度ε*，若当前优化步的应变能对当前优化步的控制点高度的差分的模小于优化精度，则考虑损伤的自由曲面优化结束，自由曲面创建完成；否则继续迭代进行自由曲面结构形态优化。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤1中的自由曲面是NURBS曲面。作为本专利技术的进一步优化方案，自由曲面是一张在u方向p次、v方向q次的NURBS曲面，具有如下形式的双变量分段有理矢值函数：其中，n为u方向的控制点个数，且i∈[1,n]；m为v方向的控制点个数，且j∈[1,m]；Pi,j是u方向编号为i且v方向编号为j的控制点坐标；wi,j是u方向编号为i且v方向编号为j的控制点的全因子；Ni,p(u)和Nj,q(v)是分别定义在矢量U和V上的样条基函数，ui为u方向编号为i的节点矢量且ui∈U，vj为v方向编号为j的节点矢量且Ni,p(u)和Nj,q(v)的表达式如下所示：作为本专利技术的进一步优化方案，步骤3中计算三角形薄壳单元的单元坐标系下的刚度矩阵，具体为：三角形薄壳单元的刚度矩阵由平面应力状态和弯曲应力状态的刚度矩阵得到，三角形薄壳单元的三个节点分别记为r、s、t；在三角形平面应力单元中，节点力和节点位移的关系如下：其中，[kp]表示单元坐标系下三角形平面应力单元的刚度矩阵；为单元坐标系下平面应力单元的r节点的节点力，且由u方向的节点力Ur和v方向的节点力Vr组成，为单元坐标系下平面应力单元的s节点的节点力，且由u方向的节点力Us和v方向的节点力Vs组成，为单元坐标系下平面应力单元的t节点的节点力，且由u方向的节点力Ut和v方向的节点力Vt组成，表示单元坐标系下三角形平面应力单元的r节点的位移，且由u方向的位移ur和v方向的位移vr组成，表示单元坐标系下三角形平面应力单元的s节点的位移，且由u方向的位移us和v方向的位移vs组成，表示单元坐标系下三角形平面应力单元的t节点的位移，且由u方向的位移ut和v方向的位移vt组成，在三角形弯曲应力单元中，节点力和节点位移的关系如下：其中，[kb]表示单元坐标系下三角形弯曲板单元的刚度矩阵；为单元坐标系下弯曲板单元r节点的节点力，且由垂直于u、v平面方向的节点力Wr、绕u轴旋转的节点力Mur及绕v轴旋转的节点力Mvr组成，为单元坐标系下弯曲板单元s节点的节点力，且由垂直于u、v平面方向的节点力Ws、绕u轴旋转的节点力Mus及绕v轴旋转的节点力Mvs组成，为单元坐标系下弯曲板单元t节点的节点力，且由垂直于u、v平面方向的节点力Wt、绕u轴旋转的节点力Mut及绕v轴旋转的节点力Mvt组成，表示单元坐标系下三角形弯曲板单元的r节点的位移，垂直于u、v平面方向的线位移wr、绕u轴旋转角θur及绕v轴旋转角θvr组成，表示单元坐标系下三角形弯曲板单元的s节点的位移，垂直于u、v平面方向的线位移ws、绕u轴旋转角θus及绕v轴旋转角θvs组成，表示单元坐标系下三角形弯曲板单元的t节点的位移，垂直于u、v平面方向的线位移wt、绕u轴旋转角θut及绕v轴旋转角θvt组成，三角形薄壳单元的单元坐标系下的刚度矩阵为：作为本专利技术的进一步优化方案，步骤4中整体坐标下的单元刚度矩阵[k′]为：[k′]＝[L]-1[k][L]其中，[L]为坐标转换矩阵，{δ′r本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法，其特征在于，具体方法步骤如下：步骤1，根据给定的初始自由曲面的一组控制点坐标初始化自由曲面；步骤2，对步骤1得到的初始化自由曲面进行网格划分，得到三角形薄壳单元；步骤3，计算步骤2得到的三角形薄壳单元的单元坐标系下的刚度矩阵；步骤4，计算整体坐标下的单元刚度矩阵；步骤5，经过总纲集成得到自由曲面结构的整体刚度矩阵；步骤6，加入Mazars损伤模型，对结构施加荷载，分N个荷载步进行加载，每个荷载步内存在M个迭代步，计算自由曲面壳体位移；步骤7，采用应变能作为自由曲面结构创建的优化目标，节点坐标作为自由曲面结构创建的优化变量，通过节点荷载和节点位移计算应变能；步骤8，对考虑Mazars损伤的自由曲面的控制点进行高度调整；步骤9，设置优化精度ε*，若当前优化步的应变能对当前优化步的控制点高度的差分的模小于优化精度，则考虑损伤的自由曲面优化结束，自由曲面创建完成；否则继续迭代进行自由曲面结构形态优化。

【技术特征摘要】
1.一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法，其特征在于，具体方法步骤如下：步骤1，根据给定的初始自由曲面的一组控制点坐标初始化自由曲面；步骤2，对步骤1得到的初始化自由曲面进行网格划分，得到三角形薄壳单元；步骤3，计算步骤2得到的三角形薄壳单元的单元坐标系下的刚度矩阵；步骤4，计算整体坐标下的单元刚度矩阵；步骤5，经过总纲集成得到自由曲面结构的整体刚度矩阵；步骤6，加入Mazars损伤模型，对结构施加荷载，分N个荷载步进行加载，每个荷载步内存在M个迭代步，计算自由曲面壳体位移；步骤7，采用应变能作为自由曲面结构创建的优化目标，节点坐标作为自由曲面结构创建的优化变量，通过节点荷载和节点位移计算应变能；步骤8，对考虑Mazars损伤的自由曲面的控制点进行高度调整；步骤9，设置优化精度ε*，若当前优化步的应变能对当前优化步的控制点高度的差分的模小于优化精度，则考虑损伤的自由曲面优化结束，自由曲面创建完成；否则继续迭代进行自由曲面结构形态优化。2.根据权利要求1所述的一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法，其特征在于，步骤1中的自由曲面是NURBS曲面。3.根据权利要求2所述的一种考虑损伤的自由曲面形态创建方法，其特征在于，自由曲面是一张在u方向p次、v方向q次的NURBS曲面，具有如下形式的双变量分段有理矢值函数：S(u,v)=Σi=0...

【专利技术属性】
技术研发人员：伞冰冰，吴泽球，邱冶，殷丽伟，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32