一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法技术

一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；(6)创建作业，提交计算。

A Finite Element Modeling Method for Flexible Bionic Wings with Spring Elements

【技术实现步骤摘要】
一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法
本专利技术涉及一种有限元建模方法，具体涉及一种含两节点弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法。
技术介绍
自然界中的昆虫翅膀轻薄柔软，又具有优秀的结构性能，是仿生翼的主要模仿对象。其中，翅膀的柔性不仅与材料相关，还得益于翅脉之间的连接方式。实验表明在大部分昆虫翅膀的翅脉节点处分布丰富的软物质。它的弹性模量显著低于翅脉和翅膜，并具有高弹性。传统仿生翼的建模方法主要关注翅膀上的翅脉和翅膜两个主要组成部分，缺乏细节的设置，往往忽略翅脉节点处的软物质及其柔性。这种仿生翼模型直接采用骨架之间固结或铰接的方式连接，不能准确反应出昆虫翅膀整体的刚度分布及变形等力学性能。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术提供一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；(6)创建作业，提交计算；所述刚度为线性或非线性。在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。在一些实施方式中，所述步骤(2)中，对于模型A，赋予圆形、矩形或环状截面；对于模型B，赋予均匀厚度、变厚度或层状壳截面。在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。在一些实施方式中，比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型B的表面为主控面，模型A所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。在一些实施方式中，所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2。在一些实施方式中，对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合。在一些实施方式中，分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加两节点弹簧单元。在一些实施方式中，指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向。在一些实施方式中，在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点在不同自由度方向上的刚度。在一些实施方式中，所述指定坐标系为全局坐标系或局部坐标系。在一些实施方式中，所述自由度的数量为1-6个。在一些实施方式中，所述自由度为平动自由度和/或转动自由度。在一些实施方式中，所述自由度为平动自由度。在一些实施方式中，所述自由度为转动自由度。在一些实施方式中，所述步骤(5)中，定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移、应力、能量、模态中的至少一种。在一些实施方式中，所述步骤(5)中，翅膀根部为固定端边界条件，施加载荷。在一些实施方式中，所述载荷至少包括压强、集中力或弯矩中的一种。在一些实施方式中，对于模型A，设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或Euler-Bernoulli梁单元模拟。在一些实施方式中，若骨架结构为细长构件，优选应用Euler-Bernoulli梁单元模拟。在一些实施方式中，对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的的壳单元或薄壳单元模拟。在一些实施方式中，若蒙皮为薄壳结构，优选应用薄壳单元模拟。在一些实施方式中，对于各处骨架节点，均按照步骤(4)进行设置。在一些实施方式中，所述步骤(6)中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，提交计算即可。本专利技术的第二方面提供一种如上所述的有限元建模方法的应用，应用于矩形柔性仿生翼、三角型柔性仿生翼、四分之一椭圆型柔性仿生翼。本专利技术在仿生翼的有限元建模中，不仅将仿生翼视作一个包括骨架结构和蒙皮结构的整体，也考虑到了细节设置，尤其是骨架结构之间的连接方式的多样性。并不像现有技术那样全部采用固结处理，限制相连骨架之间所有的自由度；或者直接设置铰接连接，释放相连骨架之间所有的自由度。相比与现有技术，本专利技术中通过两节点弹簧单元的定义以及弹簧刚度的设置，不仅可以自定义相连骨架之间在三个转动方向上的转动自由度，同时也实现了转角和扭矩之间的线性或非线性关系。在本专利技术中，通过设置弹簧单元刚度在不同自由度方向上的线性或非线性关系，完美模拟软物质在昆虫翅膀上的功能，有效实现柔性仿生翼的性能。目前没有类似的设计。附图说明图1为本专利技术建模方法流程示意图；图2为弹簧单元的作用原理示意图；图3为含弹簧单元矩形柔性仿生翼及其模态分析示意图；图4为含弹簧单元三角型柔性仿生翼及其模态分析示意图；图5为含弹簧单元四分之一椭圆型柔性仿生翼及其模态分析示意图；图中各标记如下，1为纵向骨架，2为横向骨架，3为蒙皮结构，4为添加弹簧单元的节点。具体实施方式本专利技术建模方法的流程示意图如图1所示。本专利技术提供一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；(6)创建作业，提交计算；所述刚度为线性或非线性。在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。在一些实施方式中，所述步骤(2)中，对于模型A，赋予圆形、矩形或环状截面；对于模型B，赋予均匀厚度、变厚度或层状壳截面。在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。在一些实施方式中，比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型B的表面为主控面，模型A所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；(6)创建作业，提交计算；所述刚度为线性或非线性。

【技术特征摘要】
1.一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；(6)创建作业，提交计算；所述刚度为线性或非线性。2.如权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。3.如权利要求2所述的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-s...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯丹，李佳，施伟辰，顾邦平，张奇，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31