專利名稱：一種輪胎有限元二維網(wǎng)絡(luò)劃分的前處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輪胎有限元二維網(wǎng)格劃分的前處理方法，可用于有限元分析的前處理中，用于滿足對于有限元前處理過程中網(wǎng)格的特殊需要。
背景技術(shù)：
輪胎是轎車、卡車、飛機(jī)等交通工具的不可或缺的部件，這些交通工具的性能與輪胎的特性密切相關(guān)。研究輪胎的力學(xué)性能、改進(jìn)輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直受到輪胎工業(yè)和汽車工程界的密切關(guān)注。對于大量不同的輪胎設(shè)計(jì)方案，采用傳統(tǒng)實(shí)測的方法對輪胎的力學(xué)性能進(jìn)行研究，不僅會(huì)造成大量經(jīng)濟(jì)成本上升，同時(shí)還會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和資源。而采用有限元分析的方法對其進(jìn)行分析，可有效對各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省大量研發(fā)時(shí)間，進(jìn)而選擇其中最好的實(shí)施方案，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。在對輪胎進(jìn)行有限元分析時(shí)都需要先對其進(jìn)行前處理，在整個(gè)前處理過程中最重要的一步就是要對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于輪胎結(jié)構(gòu)及材料分布的特殊性，在進(jìn)行有限元仿真分析過程中，要求輪胎中某些材料分布必須滿足規(guī)則且連續(xù)的要求，例如輪胎骨架材料的基體材料單元等。但是通常由商業(yè)有限元分析軟件生成的單元都是雜亂無章的，在特定位置的單元是混亂無序的、形狀不均勻，無法達(dá)到材料單元分布的要求，進(jìn)而無法對輪胎進(jìn)行有效的有限元分析，嚴(yán)重影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。雖然在這些商業(yè)軟件中，都提供了單元的重新編排功能，但由于發(fā)生錯(cuò)位的單元數(shù)量很多，對其中不規(guī)則的單元進(jìn)行再次調(diào)整時(shí)，會(huì)造成巨大工作量堆積和浪費(fèi)大量的時(shí)間，極容易使人產(chǎn)生厭煩情緒，嚴(yán)重影響用戶有限元分析的工作效率。同時(shí)由于網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響著輪胎有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此又不得不花費(fèi)大量的時(shí)間對網(wǎng)格劃分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使這個(gè)時(shí)間占到了整個(gè)前處理時(shí)間的80%以上。因此，為了達(dá)到適應(yīng)輪胎中材料分布的特殊要求，成倍縮短輪胎有限元分析前處理網(wǎng)格劃分 的時(shí)間，就需要發(fā)明一種新的二維網(wǎng)格劃分前處理方法來實(shí)現(xiàn)對輪胎的網(wǎng)格進(jìn)行合理的劃分，并采用編程的方法，自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)及單元，在達(dá)到有效分析的目的的前提下，成倍提高工作效率并使分析結(jié)果滿足用戶的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在滿足輪胎有限元分析要求的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序AutoCAD進(jìn)行的輪胎有限元分析二維網(wǎng)格劃分前處理方法。由本發(fā)明最終生成的結(jié)果DXF文件中包含了兩條多義線:節(jié)點(diǎn)多義線和邊多義線。將得到的DXF文件作為網(wǎng)格劃分的輸入文件，通過計(jì)算機(jī)編程語言Python實(shí)現(xiàn)對輪胎有限元網(wǎng)格的有效且合理的劃分。本發(fā)明的原理:任何一個(gè)二維三角形或四邊形有限元單元網(wǎng)格可以認(rèn)為任何一個(gè)單元網(wǎng)格都是位于上下兩條折線段之間，單元網(wǎng)格上所有的節(jié)點(diǎn)均位于上下兩條折線段之上，這些折線段稱之為橫斷線。因此，用兩條多義線、點(diǎn)多義線和邊多義線，來容納所有節(jié)點(diǎn)信息和橫斷線信息。節(jié)點(diǎn)多義線包含了所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息和節(jié)點(diǎn)的連接順序，其功能在于確定節(jié)點(diǎn)的分布以及節(jié)點(diǎn)編號(hào)的生成順序；邊多義線中包含了所有橫斷線的起始節(jié)點(diǎn)，其功能在于將節(jié)點(diǎn)多義線中包含的所有節(jié)點(diǎn)信息劃分為多條橫斷線。在確定所有節(jié)點(diǎn)的分布之后，可以通過相鄰節(jié)點(diǎn)幾何位置間的相互關(guān)系進(jìn)而得到有限元網(wǎng)格。一種輪胎有限元二維網(wǎng)格劃分的前處理方法，包含以下步驟:
第一步，清理輪胎結(jié)構(gòu)圖并繪制完整的輪胎材料分布圖:在計(jì)算機(jī)輔助繪圖程序AutoCAD中，打開輪胎的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料分布草圖，清除圖中的文字說明、尺寸標(biāo)注和其它不涉及結(jié)構(gòu)和材料分布的輔助線，最終得到一個(gè)干凈的圖形；在此基礎(chǔ)上，按照對輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料分布的要求，在圖中繪制出不同材料分布之間的界限曲線，得到輪胎最終的材料分布圖。第二步，添加輔助線并繪制單元草圖:通過分析輪胎對各種材料對單元的需求情況，在圖中繪制相應(yīng)的橫向或縱向多義線，同時(shí)添加橫向輔助線、縱向輔助線和原有的材料分布界線相互保持垂直關(guān)系以便在圖中形成一個(gè)個(gè)封閉且正規(guī)而不是扭曲的四邊形或三角形的單元網(wǎng)格形狀；其多義線的繪制方法為在輪胎內(nèi)表面以內(nèi)附近選擇一點(diǎn)作為起點(diǎn)，在保證垂直的基礎(chǔ)上，在相應(yīng)的外表面之外選擇一點(diǎn)作為終點(diǎn)繪制此輔助多義線；注意在胎肩部位時(shí)，此輔助多義線通常為折線；而在鋼絲圈下半部分，由于對鋼絲圈單元的要求，造成之后的輔助多義線通常并不是一條直線，而是需要進(jìn)行彎轉(zhuǎn)；完成之后檢查生成的單元是否滿足用戶需求，并進(jìn)行修改最終得到用戶所需要的單元網(wǎng)格分布草圖；此時(shí)在AutoCAD所形成的網(wǎng)格分布的幾何信息就與最終輪胎進(jìn)行有限元分析時(shí)所對應(yīng)的單元及其節(jié)點(diǎn)幾何信息一致。第三步，形成橫斷線并對其進(jìn)行編號(hào):定義橫斷線是由從輪胎內(nèi)表面連接到外表面的輔助線與材料分界線和其它輔助線之間的交點(diǎn)依次相連接而成；橫斷線的起點(diǎn)為此輔助線與內(nèi)表面的交點(diǎn)，終點(diǎn)為此輔助線與外表面的交點(diǎn)；選擇輪胎的一個(gè)邊界位置作為橫斷線的起始位置，然后按照一定的方向順序，依次生成所有的橫斷線，同時(shí)將得到的橫斷線按生成的先后順序由小及大進(jìn)行編號(hào)。第四步，生成節(jié)·點(diǎn)多義線和邊多義線:在AutoCAD中新建一層并在此層中新建一條多義線，按照橫斷線編號(hào)由小到大順序，用此多義線將當(dāng)前橫斷線的節(jié)點(diǎn)按照由起點(diǎn)到終點(diǎn)的先后順序連接在一起，再將此橫斷線的終點(diǎn)與下一橫斷線的起點(diǎn)相連接，依次循環(huán)往下，直到所有的橫斷線都已連接，這條多義線就是節(jié)點(diǎn)多義線；新建另一層并在其中建立一條多義線，將橫斷線編號(hào)由小到大順序，依次將用此多義線將當(dāng)前橫斷線起始點(diǎn)連接到下一橫斷線的起點(diǎn)，循環(huán)進(jìn)行直到最后一條橫斷線，這條多義線就邊多義線。保證在新建的兩層中各自都有且僅有一條多義線，并檢查節(jié)點(diǎn)多義線以及邊多義線是否是一條完整的多義線，是否在連接的過程中有漏掉節(jié)點(diǎn)或者斷點(diǎn)的情況，若有則重新添加到相應(yīng)的位置，對多義線進(jìn)行補(bǔ)全。第五步，導(dǎo)出結(jié)果DXF文件:將節(jié)點(diǎn)多義線及邊多義線導(dǎo)出到同一個(gè)DXF文件中，需要注意的是在個(gè)DXF文件中，有且僅有這兩條多義線，而不含有其它一切AutoCAD中的曲線、點(diǎn)及文字的信息。以最終生成的DXF文件作為輸入文件，采用計(jì)算機(jī)編程的方法生成一個(gè)可供商業(yè)有限元軟件識(shí)別的有限元前處理信息文件，在這個(gè)文件中包含了所有節(jié)點(diǎn)的編號(hào)及幾何信息、單元編號(hào)及其所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。節(jié)點(diǎn)編號(hào)的順序是按照節(jié)點(diǎn)多義線中節(jié)點(diǎn)的連接順序確定，單元編號(hào)的順序按照單元的生成順序確定。
本發(fā)明所提出的二維網(wǎng)格劃分前處理方法，能將以前需要進(jìn)行I天以上的工作時(shí)間縮短到僅僅I個(gè)小時(shí)左右，這樣大幅度提高了工作效率，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明的方法不僅僅適用于輪胎行業(yè)，還可廣泛適用于密封行業(yè)、建筑行業(yè)等其它適合采用AutoCAD進(jìn)行網(wǎng)格處理，并采用二維有限元分析方法進(jìn)行仿真的行業(yè)。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施流程 圖2是采用ABAQUS生成的輪胎網(wǎng)格 圖3是導(dǎo)入AUTOCAD的輪胎輪廓 圖4是在AUTOCAD中劃分好的輪胎網(wǎng)格和橫斷線 圖5是生成的兩條多義線 圖6是在ABAQUS中采用新方法生成的網(wǎng)格分布圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。
實(shí)施例

圖1是本發(fā)明處理方法的實(shí)施流程圖，下面以一個(gè)輪胎實(shí)例按本發(fā)明的處理方法提供的二維網(wǎng)格劃分前處理過程進(jìn)行具體說明。由于輪胎本身是一個(gè)軸對稱圖形，因此本實(shí)施例中取其一半進(jìn)行實(shí)例講解。為了對比說明通用有限元軟件無法滿足用戶對單元網(wǎng)格的特殊要求，首先在有限元軟件ABAQUS中繪制出輪胎的輪廓圖，并按其網(wǎng)格劃分模塊自動(dòng)生成分析單元網(wǎng)格。圖2為在ABAQUS中自動(dòng)生成的網(wǎng)格圖，從圖中可以看出在圖形的中間部分，網(wǎng)格生成比較雜亂無章，根本無法滿足輪胎對于材料的均勻規(guī)則及連續(xù)分布的要求，因而采用此單元網(wǎng)格進(jìn)行有限元分析是不合理的。而在ABAQUS中對其網(wǎng)格逐個(gè)進(jìn)行調(diào)整和修改的工作量巨大，將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，嚴(yán)重降低效率，不能滿足實(shí)際工作中的需要。采用本發(fā)明根據(jù)圖1所示的流程，將輪胎的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序AutoCAD中，首先對其進(jìn)行清理，刪除掉原始圖中的尺寸標(biāo)注、其它多余的文字信息以及和與結(jié)構(gòu)及材料分布無關(guān)的曲線信息，只保留輪胎的初始材料分布和輪廓。接下來按照輪胎設(shè)計(jì)原理，添加剩余的材料并繪制不同材料之間的分界線，最終得到如圖3所示的輪胎材料結(jié)構(gòu)輪廓圖。接下來在圖中按照對于輪胎材料分布以及整體布局的要求，添加不同的橫向和縱向輔助線，繪制輪胎進(jìn)行有限元分析所需要的二維單元網(wǎng)格草圖。圖4中所示較粗線條均為添加的輔助線，通常情況下所添加的輔助線繪制方式均為由輪胎的內(nèi)表面連接到輪胎的外表面的一條直線，并且盡可能得與原有的材料分界線保持垂直關(guān)系，但在一些地方應(yīng)注意輔助線的繪制方式。如在輪胎的胎冠部分由于材料的形狀太大，需要添加橫向的輔助線來使生成的單元較小；在鋼絲圈的下部分，由于鋼絲圈影響和胎體材料必須是連接的要求，其輔助線并不是由一條直線所構(gòu)成，而是由一系列的折線所組成。在本實(shí)施例中，以輪胎上部分最左面作為橫斷線的初始生成位置，按照橫斷線的生成方式，以較粗輔助線與內(nèi)表面的交點(diǎn)作為橫斷線的起點(diǎn)，依次將此輔助線與材料分界線和其它輔助的交點(diǎn)連接起來，直至連接至與外表面的交點(diǎn)作為終點(diǎn)。按照從左往右和從上往下的順序依次生成所有的橫斷線并對橫斷線進(jìn)行編號(hào)。在AutoCAD中新建一個(gè)層命名為PT，在其中新建一條多義線，將橫斷線按照編號(hào)的大小順序進(jìn)行排列，并用此多義線將當(dāng)前橫斷線上的節(jié)點(diǎn)按連接的先后順序依次相連，在相鄰橫斷線間由當(dāng)前橫斷線的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到下一橫斷線的起始節(jié)點(diǎn)，直到所有橫斷都串聯(lián)在一起，形成一條完整無間斷的這條多義線為節(jié)點(diǎn)多義線，如圖5中所示較細(xì)曲線。然后再新建一層，命名為BN，在此層中新建一條多義線，按照橫斷線編號(hào)的大小順序用這條多義線依次將其起始節(jié)點(diǎn)連接起來，這條多義線為邊多義線，如圖5中所示較粗曲線。由于節(jié)點(diǎn)多義線中包含了所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息和編號(hào)信息，因此要注意檢查連接過程中的是否有點(diǎn)遺漏，這將影響到最終單元 的生成的質(zhì)量和完整性。而邊多義線中包含了所有橫斷線的起始節(jié)點(diǎn)，用以區(qū)別將節(jié)點(diǎn)多義線的節(jié)點(diǎn)依次劃分為不同的橫斷線，用于生成單元，因此，若出現(xiàn)遺漏，將會(huì)導(dǎo)致二維單元網(wǎng)格生成的大錯(cuò)亂。因此，在連接之后，重點(diǎn)檢查這兩條多義線是否出現(xiàn)漏點(diǎn)的問題，并保證在這新建的兩個(gè)層中有且僅有各自的一條多義線。最后，將這兩條多義線用DXF文件格式導(dǎo)出，注意在導(dǎo)出的時(shí)候不要將其它信息導(dǎo)出到此結(jié)果文件中。將此文件作為輸入文件，采用編程的方法生成可被通用有限元分析軟件ABAQUS所能識(shí)別的單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)及幾何信息。將此文件導(dǎo)入ABAQUS中可得到采用此方法生成的輪胎二維網(wǎng)格圖，如圖6所示。由圖6中可以看出，采用新方法生成的網(wǎng)格圖，網(wǎng)格形狀是規(guī)則且合理的，能滿足輪胎對材料分布的要求，可以進(jìn)行有效的有限元分析，并且此分析的結(jié)果是有效且能被接受的。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，這些具體實(shí)施方式
都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種輪胎有限元二維網(wǎng)絡(luò)劃分的前處理方法，其特征在于: 第一步，清理輪胎結(jié)構(gòu)圖并繪制完整的輪胎材料分布圖:在計(jì)算機(jī)輔助繪圖程序AutoCAD中，打開輪胎的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料分布草圖，清除圖中的文字說明、尺寸標(biāo)注和其它不涉及結(jié)構(gòu)和材料分布的輔助線，最終得到一個(gè)干凈的圖形；在此基礎(chǔ)上，按照對輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料分布的要求，在圖中繪制出不同材料分布之間的界限曲線，得到輪胎最終的材料分布圖； 第二步，添加輔助線并繪制單元草圖:通過分析輪胎中各種材料對單元的需求情況，在圖中繪制相應(yīng)的橫向或縱向輔助線，同時(shí)使添加的輔助線和原有的材料分布界線相互保持垂直關(guān)系以便在圖中形成一個(gè)個(gè)封閉且正規(guī)而不是扭曲的四邊形或三角形的單元網(wǎng)格形狀；其多義線的繪制方法為在輪胎內(nèi)表面以內(nèi)附近選擇一點(diǎn)作為起點(diǎn)，在保證垂直的基礎(chǔ)上，在相應(yīng)的外表面之外選擇一點(diǎn)作為終點(diǎn)繪制此輔助多義線；注意在胎肩部位時(shí)，此輔助多義線通常為折線；而在鋼絲圈下半部分，由于對鋼絲圈單元的要求，造成之后的輔助多義線通常并不是一條直線，而是需要進(jìn)行彎轉(zhuǎn)；完成之后檢查生成的單元是否滿足用戶需求，并進(jìn)行修改最終得到用戶所需要的單元網(wǎng)格分布草圖；此時(shí)在AutoCAD所形成的網(wǎng)格分布的幾何信息就與最終輪胎進(jìn)行有限元分析時(shí)所對應(yīng)的單元及其節(jié)點(diǎn)幾何信息一致； 第三步，形成橫斷線并對其進(jìn)行編號(hào):定義橫斷線是由從輪胎內(nèi)表面連接到外表面的輔助線與材料分界線和其它輔助線之間的交點(diǎn)依次相連接而成；橫斷線的起點(diǎn)為此輔助線與內(nèi)表面的交點(diǎn)，終點(diǎn)為此輔助線與外表面的交點(diǎn)；選擇輪胎的一個(gè)邊界位置作為橫斷線的起始位置，然后按照一定的方向順序，依次生成所有的橫斷線，同時(shí)對得到的橫斷線按生成的先后順序由小及大進(jìn)行編號(hào)； 第四步，生成節(jié)點(diǎn)多義線和邊多義線:在AutoCAD中新建一層并在此層中新建一條多義線，按照橫斷線編號(hào)由小到大順序，用此多義線將當(dāng)前橫斷線的節(jié)點(diǎn)按照由起點(diǎn)到終點(diǎn)的先后順序連接在一起，再將此橫斷線的終點(diǎn)與下一橫斷線的起點(diǎn)相連接，依次循環(huán)往下，直到所有的橫斷線都已連接，這條多義線就是節(jié)點(diǎn)多義線；新建另一層并在其中建立一條多義線，將橫斷線編號(hào)由小到大的順 序，依次將用此多義線將當(dāng)前橫斷線起始點(diǎn)連接到下一橫斷線的起點(diǎn)，循環(huán)進(jìn)行直到最后一條橫斷線，這條多義線就是邊多義線；保證在新建的兩層中各自都有且僅有一條多義線，并檢查節(jié)點(diǎn)多義線以及邊多義線是否是一條完整的多義線，是否在連接的過程中有漏掉節(jié)點(diǎn)或者斷點(diǎn)的情況，若有則重新添加到相應(yīng)的位置，對多義線進(jìn)行補(bǔ)全； 第五步，導(dǎo)出結(jié)果DXF文件:將節(jié)點(diǎn)多義線及邊多義線導(dǎo)出到同一個(gè)DXF文件中，需要注意的是在這個(gè)DXF文件中，有且僅有這兩條多義線，而不含有其它一切AutoCAD中的曲線、點(diǎn)及文字的信息。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種輪胎有限元二維網(wǎng)絡(luò)劃分的前處理方法。本發(fā)明第一步，清理輪胎結(jié)構(gòu)圖并繪制完整的輪胎材料分布圖；第二步，添加輔助線并繪制單元草圖；第三步，形成橫斷線并對其進(jìn)行編號(hào)；第四步，生成節(jié)點(diǎn)多義線和邊多義線；第五步，導(dǎo)出結(jié)果DXF文件。以最終生成的DXF文件作為輸入文件，在這個(gè)文件中包含了所有節(jié)點(diǎn)的編號(hào)及幾何信息、單元編號(hào)及其所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。本發(fā)明的二維網(wǎng)格劃分前處理方法，能將以前需要進(jìn)行1天以上的工作時(shí)間縮短到僅僅1個(gè)小時(shí)左右，大幅度提高了工作效率。本發(fā)明不僅僅適用于輪胎行業(yè)，還適用于密封行業(yè)、建筑行業(yè)等其它適合采用AutoCAD進(jìn)行網(wǎng)格處理，并采用二維有限元分析方法進(jìn)行仿真的行業(yè)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103246792SQ20131021277
公開日2013年8月14日 申請日期2013年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年6月1日
發(fā)明者王友善, 苗常青, 謝志民 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)