板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法技术

本发明专利技术涉及一种板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，基于高质量近均匀尺寸网格与十六分加密模板构造了全四边形壳元局部加密网格模型，大大降低了板料旋压有限元模型的计算规模。同时，在网格保形重构中通过曲面拟合算法实现节点坐标更新，以保留计算过程中工件的复杂曲面特征。本发明专利技术提出的方法能实现环状板坯的高质量网格保形构造，确保多网格法推广至板料旋压仿真时的网格几何质量、协调性与几何精度，从而进行板料旋压成形的快速精确仿真。形的快速精确仿真。形的快速精确仿真。

【技术实现步骤摘要】
板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法


[0001]本专利技术属于旋压成形数值仿真领域，涉及一种板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，具体是一种用于板料旋压多网格法快速仿真的全四边形壳元高质量网格模型及其保形构造方法。

技术介绍

[0002]航空、航天及兵器等领域高端装备的迅速发展，要求其关键构件具有轻量化、高可靠和长寿命的特性。广泛用于导弹弹头及燃料贮箱箱底的复杂薄壁曲面构件便是其中的代表构件。在制造该类构件时，板料旋压工艺因具有成形载荷小、工艺柔性强与残余应力小等优势而成为有效途径。然而，在板料旋压成形中采用动力显式有限元法(FEM)开展工艺研究时，由于该工艺的局部加载特性与显式FEM的条件收敛要求，要求极小的单元尺寸和时间增量步长以确保计算精度，这使得模拟数分钟的成形过程需要耗费数周乃至数月的时间。因此，如何在保证计算精度的同时提高仿真效率是大型复杂薄壁构件旋压成形有限元仿真研究中亟需解决的关键难题。
[0003]为提高板料旋压的仿真效率，可利用自适应网格方法动态调控网格密度，即仅在工件的主要变形区保持精细网格从而显著降低模型的计算规模。自适应网格法中的多网格法尤其适用于局部加载增量成形仿真，该方法中引入了精细网格存储高精度的几何与场变量细节数据，能避免高频次网格变换中产生的数据传递误差累计问题，从而保证增量成形快速仿真的计算精度。然而结合多网格法有限元仿真的相关研究，在面对板料旋压模拟中的环状板坯时，若采用铺砌法直接生成放射状的初始均匀密度网格，其外边缘的低质量拉长单元会导致模型求解精度下降。而在动态重构局部加密的曲面网格时，多网格法中缺乏高质量协调全四边形壳元变密度网格的有效构造手段，并且难以保留模型的复杂空间曲面特征。综上，在将多网格法应用至板料旋压快速仿真时，存在着网格外边缘单元几何质量差、疏密网格过渡不协调、重构后网格保形性差的问题。因此，迫切需要一种针对板料旋压环状板坯的高质量网格保形重构方法，以实现基于多网格法的板料旋压快速有限元仿真。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，适用于环状板坯的高质量全四边形壳单元网格保形构造方法。该方法旨在构造高质量和协调的局部加密全四边形壳元网格模型，从而在保证板料旋压模型精确计算时提高仿真效率。同时，在频繁网格重构时考虑模型的复杂空间曲面特征，进行曲面网格的保形重构以保证模型几何精度。
[0006]技术方案
[0007]一种板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，其特征在于包括存储网格SM、背景网格BM和计算网格CM，构造步骤如下：
[0008]步骤1：设置板坯几何参数，定义网格划分所需的基本单元尺寸s、加密等级μ、网格重划分间隔Δt、加密区前后扩展长度L
f
和L
b
；单元纵横比最大值τ
max
和最小值τ
min
；
[0009]所述板坯几何参数包括内径R1、外径R2、厚度t、尾顶半径R
t
；
[0010]所述单元纵横比τ即为单元的周向尺寸s
T
与径向尺寸s
R
之比；
[0011]步骤2：构造近均匀尺寸全四边形壳元存储网格SM模型，所述存储网格SM为存储几何与场变量细节数据的全精细网格；
[0012]步骤3：在存储网格SM的基础上生成背景网格BM，所述背景网格BM为与存储网格SM完全重叠的粗糙网格，用于辅助变密度网格模型的构造；
[0013]步骤4：生成SM和BM后，在有限元计算过程中动态构造局部加密，得到计算网格CM模型；所述局部加密采用加密区域确定准则和十六分加密模板，生成高质量和协调的全四边形壳元局部加密网格模型；
[0014]步骤5、进行CM的保形重构：采用空间曲面拟合算法，通过拟合获得CM的曲面方程以更新SM的未知节点位移，从而保证了曲面网格重构前后的几何精度：即将SM存储的几何信息与场变量传递至CM中，并基于CM建立板料旋压模型以进行有限元计算；
[0015]在计算结束后，将CM中的几何信息和场变量计算结果存储更新至SM中，SM更新后，若未达到仿真最终时刻，则再次重复进行步骤4的CM重构与步骤5的保形重构并进行有限元FEM计算。
[0016]所述步骤2的存储网格SM模型构造是：
[0017]首先采用铺砌法自板坯内孔向外逐层生成单元构造初始的SM模型，该过程中每层单元的s
R
可直接由网格基本单元尺寸s确定；
[0018]初始层单元的s
T
为sτ
min
，故网格的初始周向单元数量N
T
为2πR1/(sτ
min
)；
[0019]每层单元的s
T
根据此时的单元周向数量N
T
和板坯周长动态计算为s
T
＝2πr/N
T
，式中r为该层单元外侧节点与板坯圆心的距离；
[0020]在向外逐层生成单元的同时，计算监控每层单元的纵横比值τ＝2πr/(N
T
s)，当该层单元的τ值达到范围上限τ
max
时，则在该层单元生成时沿网格周向布置四边形单元的四分过渡模板，将该层的周向单元数量增大至2N
T
，即缩小该层单元的s
T
以达到单元正则性的控制。
[0021]所述步骤3的生成BM模型是：
[0022]依据网格的加密等级μ在SM中通过等距间隔选点的方式构成BM节点，随后采用节点拓扑重连的方式生成BM模型，BM模型的单元尺寸s
max
表示为s
max
＝μs；
[0023]随后根据SM与BM中单元与节点的拓扑位置关系，获取BM各单元内部包含的SM单元和节点并存储该信息，得到存储SM信息的BM模型。
[0024]所述步骤4的计算网格CM模型的构造过程：
[0025]步骤4.1：由装配关系和旋轮轨迹计算当前Δt内的旋轮起始与终止位置；
[0026]步骤4.2、在BM内确定当前时刻的环状加密区域：遍历BM中所有单元，根据Δt内的旋轮起始与终止位置在BM内进行接触搜索，根据接触单元确定环状的完整加密区；完整加密区域除旋轮接触区域外还包括用户自定义的旋轮前后影响区L
f
和L
b
。随后根据加密区域与单元的拓扑关系标记BM各单元的加密类型：加密区内单元标记为全加密，加密区外侧的一层单元标记为边加密
‑
1，边加密
‑
1外侧的一层单元标记为边加密
‑
2，其余区域单元标记
为零加密；
[0027]步骤4.3、构造十六分加密模板：由于BM构造时采用了铺砌法结合四分过渡模板，其单元可分为常规四边形单元与过渡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，其特征在于包括存储网格SM、背景网格BM和计算网格CM，构造步骤如下：步骤1：设置板坯几何参数，定义网格划分所需的基本单元尺寸s、加密等级μ、网格重划分间隔Δt、加密区前后扩展长度L
f
和L
b
；单元纵横比最大值τ
max
和最小值τ
min
；所述板坯几何参数包括内径R1、外径R2、厚度t、尾顶半径R
t
；所述单元纵横比τ即为单元的周向尺寸s
T
与径向尺寸s
R
之比；步骤2：构造近均匀尺寸全四边形壳元存储网格SM模型，所述存储网格SM为存储几何与场变量细节数据的全精细网格；步骤3：在存储网格SM的基础上生成背景网格BM，所述背景网格BM为与存储网格SM完全重叠的粗糙网格，用于辅助变密度网格模型的构造；步骤4：生成SM和BM后，在有限元计算过程中动态构造局部加密，得到计算网格CM模型；所述局部加密采用加密区域确定准则和十六分加密模板，生成高质量和协调的全四边形壳元局部加密网格模型；步骤5、进行CM的保形重构：采用空间曲面拟合算法，通过拟合获得CM的曲面方程以更新SM的未知节点位移，从而保证了曲面网格重构前后的几何精度：即将SM存储的几何信息与场变量传递至CM中，并基于CM建立板料旋压模型以进行有限元计算；在计算结束后，将CM中的几何信息和场变量计算结果存储更新至SM中，SM更新后，若未达到仿真最终时刻，则再次重复进行步骤4的CM重构与步骤5的保形重构并进行有限元FEM计算。2.根据权利要求1所述板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，其特征在于：所述步骤2的存储网格SM模型构造是：首先采用铺砌法自板坯内孔向外逐层生成单元构造初始的SM模型，该过程中每层单元的s
R
可直接由网格基本单元尺寸s确定；初始层单元的s
T
为sτ
min
，故网格的初始周向单元数量N
T
为2πR1/(sτ
min
)；每层单元的s
T
根据此时的单元周向数量N
T
和板坯周长动态计算为s
T
＝2πr/N
T
，式中r为该层单元外侧节点与板坯圆心的距离；在向外逐层生成单元的同时，计算监控每层单元的纵横比值τ＝2πr/(N
T
s)，当该层单元的τ值达到范围上限τ
max
时，则在该层单元生成时沿网格周向布置四边形单元的四分过渡模板，将该层的周向单元数量增大至2N
T
，即缩小该层单元的s
T
以达到单元正则性的控制。3.根据权利要求1所述板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，其特征在于：所述步骤3的生成BM模型是：依据网格的加密等级μ在SM中通过等距间隔选点的方式构成BM节点，随后采用节点拓扑重连的方式生成BM模型，BM模型的单元尺寸s
max
表示为s
max
＝μs；随后根据SM与BM中单元与节点的拓扑位置关系，获取BM各单元内部包含的SM单元和节点并存储该信息，得到存储SM信息的BM模型。4.根据权利要求1所述板料旋压多网格法仿真的高质量四边形网格保形构造方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹梅，石志鹏，董赟达，翟卓蕾，
申请(专利权)人：西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：