面向建模-分析-优化一体化的组合薄壁元件结构自适应几何建模方法技术

一种面向建模

【技术实现步骤摘要】
面向建模
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分析
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优化一体化的组合薄壁元件结构自适应几何建模方法


[0001]本专利技术属于结构力学与数字化设计相关
，更具体地，涉及一种面向建模
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分析
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优化一体化的组合薄壁元件结构自适应几何建模方法。

技术介绍

[0002]组合薄壁元件结构(组合薄壁元件结构通常由两个或更多的简单薄壁元件组成，例如，加筋板壳结构、多墙结构、多肋结构、夹层结构、薄壁点阵结构)因其在高比刚度方面的独特优势，已经广泛应用于各种工程领域。结构优化是产品设计中的一个重要工具，该技术的发展水平直接关系到结构的承载性能和轻量化。在以往的设计体系中，通过CAD系统建模、CAE系统进行有限元分析，两个系统之间需要通过半自动化构建的网格模型进行数据交换。对于具有复杂装配关系的模型系统，这种设计流程不仅效率低，而且很难实现自动化。近些年来，这些问题都已通过等几何分析解决，使得开发大规模无缝集成分析设计平台成为了可能。这是因为等几何分析直接将CAD插值模型应用于几何场和物理场，将建模和分析融合到一个统一的模型中，实现了CAD系统和CAE系统的无缝集成。虽然等几何分析在科学的众多领域中获得了巨大的成功，但是在大多数情况下，从CAD系统直接创建完整的分析模型仍然是不可用的状态，尤其是在处理工程中常见的组合薄壁元件结构，这主要是由于使用NURBS建模将受到其张量积结构的严格限制。对于复杂模型，只能通过布尔运算生成，这也就造成复杂模型通常需要大量的NURBS片，并且NURBS片的内部使用大量的修剪曲线。因此，基于NURBS的全局离散化无法直接应用于等几何分析。
[0003]现阶段，主要有两类解决方法，两类方法的目的都是为了实现真正的自动化分析。第一类是从分析的角度解决这个问题。有限单元法是经典有限元法的扩展，其主要思想是将物理域的边界扩展到具有简单几何结构的更大嵌入域，可以通过结构化网格进行离散。该方法主要面向三维结构的分析，避免了NURBS实体的重新参数化。而对于薄壁结构，CAD系统中众所周知的建模方法则是基于NURBS的B
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Rep模型。第二类是从建模的角度看待这个问题。重新参数化方法可以将修剪的B
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Rep模型转换为未修剪的NURBS曲面。有学者提出了通过框架场引导的全局参数化进行CAD嵌入的重新参数化。所获得的几何形状可用于设计和分析，而无需进一步的网格和几何处理。通过重建未修剪的NURBS模型，使得IGA在复杂工程对象中的应用更加简单和方便。
[0004]事实上NURBS建模规则不仅会影响分析，同样也给结构优化带来了困难。在分析设计工作流中，几何模型到分析模型只需进行一次分析，但在设计优化工作流中，需要根据设计变量改变几何模型，在结构优化框架内重复调用分析程序，几何模型的控制和结构分析均需要实现自动化。多级加筋薄壁结构可以被视为一类装配结构，薄壁元件之间存在着严格的装配关系。在加筋结构的设计流程中，当形状被修改时，原有的装配关系如何保证是一个难点。在等几何优化范式下，NURBS曲线、曲面、体的控制点位置常常作为设计变量，通过少量的设计变量就可以实现形状控制，而这也带来了一系列问题，当移动控制点之后，就会
破坏原有的薄壁元件之间的装配关系。总之，对于设计分析优化工作流，不仅需要适合分析的模型，还需要适合优化的模型。为此，有学者提出了基于参数化设计的交互式等几何建模与分析平台，以及隐式建模范式。隐式建模是修剪的表达方法，通过NURBS曲面参数域内的曲线定义显示范围，可以理解为是一种从二维参数域到三维物理域的映射关系。
[0005]采取同样思想的另一个方法是自由变形技术(FFD)，其基本思想是将对象嵌入到参数化实体中。当参数化实体变形时，变形将传递到嵌入对象。这确保了变形发生时原始装配关系保持不变。与经典的FFD算法相比，NFFD具有更大的灵活性和可控性。通过将对象嵌入NURBS曲面和NURBS实体的参数空间，可以实现相同的效果。在以往的研究中，FFD与NFFD均只存在一层映射关系。对于复杂的工程薄壁结构来讲，往往需要嵌套多层薄壁元件，为此，我们提出了一种多层次的NFFD方法，即MNFFD方法，以实现组合薄壁元件结构的一体化几何建模。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决现有技术的组合薄壁元件结构建模分析精度差、优化效率低下的技术问题。在以往的设计体系中，CAD与CAE两个系统之间需要通过半自动化构建的网格模型进行数据交换，对于具有复杂装配关系的模型系统，这种设计流程不仅效率低，而且很难实现自动化，此外，现有的B
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rep建模方法中大量使用修剪曲面，这严重影响模型的几何精度和水密性。针对以上问题，本专利技术提出一种面向组合薄壁元件结构建模
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分析
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优化一体化的几何建模方法，实现组合薄壁元件结构一体化几何建模，以达到提高组合薄壁元件结构建模精确性、提升分析设计的计算效率、计算精度、缩短产品设计周期的目的。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一种面向建模
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分析
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优化一体化的组合薄壁元件结构自适应几何建模方法，包括以下步骤：
[0009]步骤100：利用基于多层次NURBS的自由变形技术(MNFFD)，实现面向组合薄壁元件结构的精确几何建模，包括以下子步骤：
[0010]步骤101：利用基于NURBS的自由变形技术(NFFD)建立复杂薄壁结构组件的隐式表征关系。具体包括以下两种映射关系：其一，将NURBS曲线嵌入到NURBS曲面的参数空间中，即从2D参数空间R2(ξ1,ξ2)到3D物理空间R3(x,y,z)的映射；其二，将NURBS曲面嵌入到NURBS实体的参数空间中，即从3D参数空间R3(ξ1,ξ2,ξ3)到3D物理空间R3(x,y,z)的映射。通过将对象嵌入NURBS曲面或NURBS实体参数空间的方式，获得曲面上曲线以及实体中曲面的隐式几何定义。
[0011]步骤102：根据步骤101中提及的两类映射关系，在原有的单层级映射的NFFD方法基础上，允许结构存在多层和复合映射并提出MNFFD方法，建立基于MNFFD的组合薄壁元件结构组件的隐式表征关系。利用MNFFD的多层次映射关系，使得嵌套模型能够满足不同薄壁元件间的装配关系和几何约束，最终实现组合薄壁元件结构的精确几何建模。
[0012]步骤200：基于MNFFD方法，建立适用于组合薄壁元件结构等几何分析的建模
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分析统一模型，包括以下子步骤：
[0013]步骤201：基于等几何范式推导基于MNFFD映射模型的6自由度退化壳单元和6自由度退化梁单元的理论公式。
[0014]步骤202：在基于MNFFD的等几何分析中，利用区域分解法建立非一致NURBS曲面片的耦合关系，实现解在曲面或映射曲面之间的传播。
[0015]步骤300：基于MNFFD方法，建立适用于组合薄壁元件结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向建模
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分析
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优化一体化的组合薄壁元件结构自适应几何建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤100：利用基于多层次NURBS的自由变形技术MNFFD，实现面向组合薄壁元件结构的精确几何建模；步骤200：基于MNFFD方法，建立适用于组合薄壁元件结构等几何分析的建模
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分析统一模型；步骤300：基于MNFFD方法，建立适用于组合薄壁元件结构形状和加筋布局协同设计的建模
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分析
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设计统一模型。2.根据权利要求1所述的一种面向建模
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分析
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优化一体化的组合薄壁元件结构自适应几何建模方法，其特征在于，所述的步骤100包括以下子步骤：步骤101：利用基于NURBS的自由变形技术NFFD建立复杂薄壁结构组件的隐式表征关系，包括以下两种映射关系：其一，将NURBS曲线嵌入到NURBS曲面的参数空间中，即从2D参数空间R2(ξ1,ξ2)到3D物理空间R3(x,y,z)的映射；其二，将NURBS曲面嵌入到NURBS实体的参数空间中，即从3D参数空间R3(ξ1,ξ2,ξ3)到3D物理空间R3(x,y,z)的映射；通过将对象嵌入NURBS曲面或NURBS实体参数空间的方式，获得曲面上曲线以及实体中曲面的隐式几何定义；步骤102：根据步骤101中提及的两类映射关系，在原有的单层级映射的NFFD方法基础上，允许结构存在多层和复合映射并提出MNFFD方法，建立基于MNFFD的组合薄壁元件结构组件的隐式表征关系；利用MNFFD的多层次映射关系，使得嵌套模型能够满足不同薄壁元件间的装配关系和几何约束，最终实现组合薄壁元件结构的精确几何建模。3.根据权利要求1所述的一种面向建模
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【专利技术属性】
技术研发人员：郝鹏，王禹，金灵智，王博，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：