一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法技术

一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，涉及一种参数化建模有限元分析方法，该方法包括以下步骤：1）采集外观良好、叶脉清晰的所需植物叶片试样，清洗后使用吸水纸进行干燥化处理；2）试样进行扫描，获得植物叶片的数字化图像；3）使用计算机辅助设计软件AutoCAD对植物叶片试样数字化图像进行处理；4）使用ANSYS参数化设计语言APDL对步骤3）中得到的数据进行参数化建模及有限元分析。本发明专利技术按原始叶片建立的模型具有良好的机械性能，且始终能维持较小的内部应变能。从仿生学的角度，将叶脉结构应用实际工程领域，具有非常重要的研究意义和价值。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法
本专利技术涉及一种参数化建模有限元分析方法，特别是涉及一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法。
技术介绍
植物叶脉在自然环境中不断地选择性进化，使得按原始叶片建立的模型具有良好的机械性能，且始终能维持较小的内部应变能。从仿生学的角度，将叶脉结构应用实际工程领域，具有非常重要的研究意义和价值。近年来，扫描技术、计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)等技术已被广泛应用于产品研究领域，为各种产品提供了数字化模型构建的方法。ANSYS是通用的有限元分析（FEA）软件，其建模方法通常为由底向上建模，由于其图形化操作步骤的不可逆性，使得研究人员在进行有限元分析时需要进行重复的工作。APDL参数化建模可以实现设计、分析自动化，通过改变特征参数就能实现系列产品的建模与分析。为了简化操作，基于APDL对ANSYS进行了二次开发，通过创建人机交互图形界面有效提高了ANSYS的可操作性，以叶脉为研究对象进行了有限元参数化建模，利用ANSYS/LS-DYNA求解器、LS-PREPOST后处理器对“滚子-叶脉”系统进行了显式动力学分析。此外，应用APDL二次开发的系统可以有效降低了研究人员后期的修改难度，减少了时间成本并提高了效率，该系统为研究人员对叶脉结构的进一步分析提供了合理的参考依据，为进一步优化叶脉结构拓扑奠定了基础。目前未见与本专利技术接近的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，本专利技术利用植物叶片数字化图像来建立叶脉的参数化模型及有限元分析。通过对植物叶片数字化图像的研究，分析出如何提取叶脉坐标点云图，来有效的建立叶脉的参数化模型及有限元分析。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，该方法通过对植物叶片数字化图像的研究，分析出如何提取叶脉坐标点云图，来有效的建立叶脉的参数化模型有限元分析，该方法包括以下步骤：1）采集外观良好、叶脉清晰的所需植物叶片试样，清洗后使用吸水纸进行干燥化处理，使用标本夹进行压制；2）使用扫描仪对植物叶片试样进行扫描，获得植物叶片的数字化图像；3）使用计算机辅助设计软件AutoCAD对植物叶片试样数字化图像进行处理，采用点命令创建叶脉的点云图，对叶脉点云图标注坐标，注明正负值，并按一个方向将点云坐标记录到文本文档；4）使用ANSYS参数化设计语言APDL对步骤3）中得到的数据进行参数化建模及有限元分析。所述的一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，所述步骤3）具体为将扫描仪参数优化后得到的植物叶片数字化图像导入AutoCAD软件，选择1：1比例，使用点命令标注点云图时在点样式里将点大小进行调整至足够匹配叶脉，采用基线标注的方法标注点云图。所述的一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，所述步骤4）中使用ANSYS参数化设计语言APDL进行参数化建模，具体为：使用命令流K,NPT,X,Y,Z在ANSYS里建立叶脉的点云图，再使用命令流L,P1,P2,NDIV建立叶脉数字化线段模型；在前处理模块（/PREP7）使用BLC4、CYLIND以及布尔运算命令流建立几何模型，使用ET、MP命令流赋予单元及属性，使用ESIZE、VSWEEP命令流划分网格；在APDL编程的过程中，使用单变量对话框*ask,Par,Query,DVAL将特征值赋予参数，从而建立人机交互界面。所述的一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，所述步骤4）中使用ANSYS参数化设计语言APDL进行有限元分析具体为：静力学分析使用ANSYS隐式求解器，使用SFA、DA、/SOLU命令流施加约束载荷并求解，使用通用后处理；动力学分析使用ANSYS/LS-DYNA求解器，通过定义接触、时间轴、速度载荷、力载荷来输出K文件，设置输出格式为d3plot二进制文件，使用LS-PREPOST进行后处理分析。所述的一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，所述步骤4）具体为基于APDL对ANSYS二次开发，将编写的txt扩展名的参数化命令流变为mac扩展名的参数化宏，将其放入ANSYS的工作目录如H:\Ansys18files，再链接到ANSYS的启动文件，以ANSYS18.0为例，位置为：\ANSYSInc\v180\ansys\apdl，找到start.ans文件，在最后输入：/PSEARCH,H:\Ansys18files*ABBR,Y1,Y1.mac*ABBR,Y2,Y2.mac*ABBR,Y1.2ZP,Y1.2ZP.mac保存并退出即可，运行ANSYS，Toolbar即显示用户自定义按钮。本专利技术的优点与效果是：本专利技术通过对植物叶片数字化图像的研究，分析出如何提取叶脉坐标点云图，来有效的建立叶脉的参数化模型及有限元分析。植物叶脉在自然环境中不断地选择性进化，使得按原始叶片建立的模型具有良好的机械性能，且始终能维持较小的内部应变能。从仿生学的角度，将叶脉结构应用实际工程领域，具有非常重要的研究意义和价值。附图说明图1系统实现流程图；图2扫描仪设置图；图3植物叶片试样的数字化图像；图4叶脉点云图；图5叶脉数字化线段模型图；图6叶脉系统有限元模型图；图7叶脉平台动态应力云图；图8叶脉平台动态应变云图；图9滚子动态应力云图；图10滚子动态应变云图；图11接触应力-时间历程曲线图；图12用户自定义按钮图。具体实施方式下面结合附图所示实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术利用植物叶片数字化图像来建立叶脉的参数化模型及有限元分析。通过对植物叶片数字化图像的研究，分析出如何提取叶脉坐标点云图，来有效的建立叶脉的参数化模型及有限元分析。所述方法包括：首先，采集外观良好、叶脉清晰的所需植物叶片试样，清洗后使用吸水纸进行干燥化处理，使用标本夹进行压制；其次，使用扫描仪对植物叶片试样进行扫描，获得植物叶片的数字化图像；再次，使用计算机辅助设计软件AutoCAD对植物叶片试样数字化图像进行处理，采用点命令创建叶脉的点云图，对叶脉点云图标注坐标，注明正负值，并按一个方向将点云坐标记录到文本文档；最后，使用ANSYS参数化设计语言APDL对得到的数据进行参数化建模及有限元分析。实施例如图1-图12所示。本专利技术的具体操作如下：第一步，采集外观良好、叶脉清晰的所需植物叶片试样，对所采集的植物叶片试样进行预处理，所有植物叶片试样的预处理方式都是一样的，清洗后使用吸水纸进行干燥化处理，使用标本夹进行压制。第二步，如图2所示，使用扫描仪对植物叶片试样进行扫描；如图3所示，获得植物叶片的数字化图像。第三步，如图4所示，使用计算机辅助设计软件AutoCAD对植物叶片试样数字化图像进行处理，选择1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，其特征在于，该方法通过对植物叶片数字化图像的研究，分析出如何提取叶脉坐标点云图，来有效的建立叶脉的参数化模型有限元分析，该方法包括以下步骤：/n1）采集外观良好、叶脉清晰的所需植物叶片试样，清洗后使用吸水纸进行干燥化处理，使用标本夹进行压制；/n2）使用扫描仪对植物叶片试样进行扫描，获得植物叶片的数字化图像；/n3）使用计算机辅助设计软件AutoCAD对植物叶片试样数字化图像进行处理，采用点命令创建叶脉的点云图，对叶脉点云图标注坐标，注明正负值，并按一个方向将点云坐标记录到文本文档；/n4）使用ANSYS参数化设计语言APDL对步骤3）中得到的数据进行参数化建模及有限元分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，其特征在于，该方法通过对植物叶片数字化图像的研究，分析出如何提取叶脉坐标点云图，来有效的建立叶脉的参数化模型有限元分析，该方法包括以下步骤：
1）采集外观良好、叶脉清晰的所需植物叶片试样，清洗后使用吸水纸进行干燥化处理，使用标本夹进行压制；
2）使用扫描仪对植物叶片试样进行扫描，获得植物叶片的数字化图像；
3）使用计算机辅助设计软件AutoCAD对植物叶片试样数字化图像进行处理，采用点命令创建叶脉的点云图，对叶脉点云图标注坐标，注明正负值，并按一个方向将点云坐标记录到文本文档；
4）使用ANSYS参数化设计语言APDL对步骤3）中得到的数据进行参数化建模及有限元分析。


2.根据权利要求1所述的一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，其特征在于，所述步骤3）具体为将扫描仪参数优化后得到的植物叶片数字化图像导入AutoCAD软件，选择1：1比例，使用点命令标注点云图时在点样式里将点大小进行调整至足够匹配叶脉，采用基线标注的方法标注点云图。


3.根据权利要求1所述的一种适用于叶脉模型的参数化建模有限元分析方法，其特征在于，所述步骤4）中使用ANSYS参数化设计语言APDL进行参数化建模，具体为：使用命令流K,NPT,X,Y,Z在ANSYS里建立叶脉的点云图，再使用命令流L,P1,P2,NDIV建立叶脉数字化线段模型；在前处理模块（/PREP7）使用BLC4、CYLIND以及布尔运算命令流建立几何模型，使用ET、...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙日升，赵超，张义民，王一冰，韩辉，赵琛，郭文博，侯福顺，
申请(专利权)人：沈阳化工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21