一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種充氣展開織物的工作過程有限元分析方法，首先基于間接變形原理進(jìn)行織物逆向折疊建模得到折疊模型，其次采用有限元方法對折疊模型進(jìn)行充氣展開計算，實現(xiàn)復(fù)雜充氣展開織物的工作過程有限元仿真；逆向折疊建模主要步驟為：（1）建立完全展開狀態(tài)的織物有限元網(wǎng)格模型；（2）在有限元網(wǎng)格模型上選擇變形策略；（3）進(jìn)行基于間接變形原理的插值偏移,使變形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點響應(yīng)約束點偏移；（4）對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測，獲得折疊狀態(tài)的織物網(wǎng)格模型。該方法首次采用間接變形思想將完全展開狀態(tài)下的織物模型逆向變形至折疊狀態(tài)，有效解決了外形或折疊方式復(fù)雜情況下的織物建模問題，使得復(fù)雜折疊織物展開過程數(shù)值仿真成為可能。
【專利說明】一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，屬于航空救生【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]充氣展開織物(如降落傘、氣囊)由于其存儲空間小、成本低、工作效率高的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。充氣展開織物在氣流作用下劇烈變化的強(qiáng)非線性工作特點決定了其折疊展開過程成為最關(guān)鍵和最危險的一個環(huán)節(jié)。因此對復(fù)雜充氣展開織物或采用特殊折疊方式的充氣展開織物的工作過程進(jìn)行有限元分析，是亟需解決的技術(shù)問題。但是織物折疊建模是充氣展開織物工作過程有限元分析首先要解決的問題。目前現(xiàn)有網(wǎng)格折疊方法需要大量經(jīng)驗，直接計算折痕或褶皺的位置坐標(biāo)，只適用于簡單折疊織物的建模。對于一些更復(fù)雜的充氣織物或者其他特殊折疊方式建模，幾乎無法用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】中涉及的如何在對復(fù)雜充氣展開織物或采用特殊折疊方式的充氣展開織物的工作過程進(jìn)行有限元分析，提出一種充氣展開織物工作過程有限元分析方法。
[0004]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，首先基于間接變形原理進(jìn)行織物逆向折疊建模得到折疊模型，其次采用有限元方法對折疊模型進(jìn)行充氣展開計算，實現(xiàn)復(fù)雜充氣展開織物的工作過程有限元仿真；其中所述逆向折疊建模過程如下:
[0006]步驟一:使用殼單元對展開狀態(tài)織物進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立完全展開狀態(tài)下的織物有限元網(wǎng)格模型；
[0007]步驟二:選擇變形策略，即在織物有限元網(wǎng)格模型上指定約束節(jié)點、空間偏移量、變形區(qū)域的網(wǎng)格單元以及變形邊界上的節(jié)點；
[0008]步驟三:對變形區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行基于間接變形原理的插值偏移，使變形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點響應(yīng)約束點偏移；
[0009]步驟四:單元質(zhì)量檢測；
[0010]對變形后的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測，如果網(wǎng)格質(zhì)量不合格，重新選擇變形策略，再次重復(fù)步驟二至步驟三，直至變形后的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求。
[0011]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述有限元方法為控制體積法或流固耦合方法。
[0012]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述殼單元為三角形單元或者四邊形單元。
[0013]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，步驟二和步驟三的具體過程為:[0014]根據(jù)實際折疊方式，定義網(wǎng)格模型上某節(jié)點作為約束點P，并根據(jù)空間偏移量得到偏移后約束點P%變形區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點Q構(gòu)造成一個三角形APP*Q，S ΛΡΡ%!所在平面與變形區(qū)域邊界I相交于一點Q。，采用Qc^P'P這三點構(gòu)造一個新的三角形Λ PP^ ；
[0015]在上述P點、P*點和Q。點所構(gòu)成的三角形Λ PP*QC,設(shè)點Qp為點Q在直線QcP的投影，計算出變形區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點Q的偏移權(quán)重t，計算公式為:
[0016]t= I Qp (x, y, ζ) -P (x, y, ζ) | / | Qc (x, y, ζ) -P (χ, y, ζ)(I)
[0017]根據(jù)偏移權(quán)重t計算出點Q在直線/ρ上相應(yīng)的點坐標(biāo):
[0018]
Qp (-、、y,z) = t-Qc (jc, ν, ζ) + (I — f).P* (x, y,z)(2)
[0019]而網(wǎng)格節(jié)點Q變形后的最終空間坐標(biāo)為:
[0020]
Q'(-^ V,i) = Ql(x,}\z) + |ρ(Λ.,.V.z)-QT(χ..V.ζ)|.Λ(3)
[0021]其中，矢量Qp(x, y, z)表示點 Qp 的空間坐標(biāo)，P(x, y, z)、Qc(x, y, ζ)、Ρ*(χ, y, ζ)、Q*(χ, y, ζ)、Ql(x,y,z)、Qp (χ, y, ζ)分別表示點P、點Q。、點P'點Q'點ζξ、點Qp的空間坐標(biāo)；
η為點fij處的法向矢量；
[0022]若存在多約束APn，則單獨計算點Q在各個約束點影響下的偏移量，最后對所有偏移量進(jìn)行平均計算。
[0023]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述交點Q。的坐標(biāo)通過單元邊插值獲得。
[0024]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，在步驟四中是采用雅克比行列式對變形后的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測。
[0025]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，還包括步驟五:對不適合采用基于間接變形的逆向折疊建模的部分，應(yīng)該采用其他方法處理，如坐標(biāo)變換方法，流固耦合方法。
[0026]作為本發(fā)明的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，還包括步驟六:采用修正應(yīng)力對間接變形產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，具體為:
[0027]將展開狀態(tài)的網(wǎng)格作為參考網(wǎng)格，而折疊后的網(wǎng)格作為映射網(wǎng)格，比較兩套網(wǎng)格之間的差異，計算出修正應(yīng)力，在折疊后的網(wǎng)格上施加修正應(yīng)力，保證折疊模型充氣展開后和展開模型相同。
[0028]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點在于:
[0029]本發(fā)明完全摒棄原有直接計算折痕或褶皺節(jié)點坐標(biāo)的思想，而是采用間接的手段獲得折痕或褶皺的位置:定義變形區(qū)域、約束點及空間偏移量，假定約束點發(fā)生偏移，而其余相鄰節(jié)點在約束點的“拉扯”下也發(fā)生一定的位移，并且距離約束點越近，偏移越大，那么網(wǎng)格模型完全可以從展開狀態(tài)變形至折疊狀態(tài)。本發(fā)明正是基于這種間接折疊建模思想實現(xiàn)了復(fù)雜充氣展開織物的工作過程有限元仿真，完全克服了現(xiàn)有折疊建模方法無法適應(yīng)復(fù)雜折疊建模的缺點，通過計算發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明完全滿足工程需要，可以節(jié)約實物試驗測試，為充氣織物設(shè)計提供參考。【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是氣囊模型整體示意圖。
[0031]圖2是氣囊?guī)缀文Ｐ秃头制疽鈭D。
[0032]圖3是氣囊網(wǎng)格模型示意圖。
[0033]圖4是約束面的示意圖。
[0034]圖5是圖4的局部放大圖。
[0035]圖6是多約束點定義示意圖。
[0036]圖7是間接變形定義示意圖。
[0037]圖8是變形區(qū)節(jié)點偏移方法不意圖。
[0038]圖9是單元變形示意圖之一。
[0039]圖10是單元變形示意圖之二。
[0040]圖11是單元變形示意圖之三。
[0041]圖12是單元變形示意圖之四。
[0042]圖13是嚢體中部第一段變形圖。
[0043]圖14是嚢體中部第二段變形圖。
[0044]圖15是嚢體中部第三段變形圖。
[0045]圖16是囊體中部單元節(jié)點Z向坐標(biāo)進(jìn)行比例縮小示意圖。
[0046]圖17是囊體頭部單元節(jié)點Z向坐標(biāo)向下平移示意圖。
[0047]圖18是最終折置I旲型不意圖。
[0048]圖19是折疊模型充滿時外形圖。
[0049]圖中標(biāo)號解釋:1-變形區(qū)，2-非變形區(qū)，3-變形區(qū)邊界I，4-約束面。
[0050]圖20是本發(fā)明的整體方法流程圖。
【具體實施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0052]首先，參考圖20所示，本發(fā)明的充氣展開織物工作過程的有限元分析方法整體流程如下:
[0053]首先基于間接變形原理進(jìn)行織物逆向折疊建模得到折疊模型，具體如下:
[0054]步驟一:使用殼單元(如三角形單元或者四邊形單元等)對展開狀態(tài)織物進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立完全展開狀態(tài)下的織物有限元網(wǎng)格模型。
[0055]步驟二:選擇變形策略，即在織物有限元網(wǎng)格模型上指定約束節(jié)點、空間偏移量、變形區(qū)域的網(wǎng)格單元以及變形邊界上的節(jié)點。
[0056]步驟三:對變形區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行基于間接變形原理的插值偏移，使變形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點響應(yīng)約束點偏移。
[0057]步驟四:單元質(zhì)量檢測；對變形后的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(如采用雅克比行列式)，如果網(wǎng)格質(zhì)量不合格，重新選擇變形策略，再次重復(fù)步驟二至步驟三，直至變形后的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求。
[0058]步驟五:對不適合采用基于間接變形的逆向折疊建模的部分，采用其他方法處理，其他方法包括坐標(biāo)變換方法、流固耦合方法。
[0059]步驟六:采用修正應(yīng)力對間接變形產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，具體為:
[0060]將展開狀態(tài)的網(wǎng)格作為參考網(wǎng)格，而折疊后的網(wǎng)格作為映射網(wǎng)格，比較兩套網(wǎng)格之間的差異，計算出修正應(yīng)力，在折疊后的網(wǎng)格上施加修正應(yīng)力，保證折疊模型充氣展開后和展開模型相同。
[0061]其次，采用有限元方法(如控制體積法或流固耦合方法)對折疊模型進(jìn)行充氣展開計算，實現(xiàn)復(fù)雜充氣展開織物的工作過程有限元仿真。
[0062]為證明本發(fā)明的可行性，以某種特種氣囊(圖1所示)作為算例，對本發(fā)明的實施進(jìn)行詳細(xì)論述:
[0063]第一步:使用殼單元對展開狀態(tài)織物進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立完全展開狀態(tài)下的織物有限元網(wǎng)格模型以及用于約束的幾何面；
[0064]首先，從點一線一面建立幾何模型，其中尾部根據(jù)工程要求直接建立折疊狀態(tài)的幾何模型，而中段囊體進(jìn)行分片處理并建立折痕(圖2);最后采用三角形和四邊形的混合網(wǎng)格劃分幾何模型(圖3)，當(dāng)然也可以全部使用三角形網(wǎng)格或者四邊形網(wǎng)格。
[0065]其次，為了使單元節(jié)點發(fā)生精確變形偏移，防止出現(xiàn)初始穿插或重疊，本發(fā)明對變形域中所有節(jié)點采取全間接變形。根據(jù)實際折疊，采用點一線一面的順序建立約束面，約束面與上述幾何模型互相穿插(圖4)，使每個分片約束面與圖2中的幾何分片一一對應(yīng)(圖5)。
[0066]第二步:選擇變形策 略，即在織物有限元網(wǎng)格模型上指定約束節(jié)點、空間偏移量、變形區(qū)域的網(wǎng)格單元以及變形邊界上的節(jié)點；
[0067]將圖6中所示單元設(shè)為變形區(qū)域，將弧線@上各點作為約束點，設(shè)各約束點按原
排列順序依次投影至線I1?，其中，設(shè)點P1投影至點P1*位置，點P2投影至點P/位置，而其余各點保持等間距投影到直線相應(yīng)位置，這樣就可以同時指定多個約束節(jié)點及其空間偏移量。
[0068]第三步:對變形區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行基于間接變形原理的插值偏移，使變形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點響應(yīng)約束點偏移；
[0069]對織物單元節(jié)點空間坐標(biāo)的改變，不是采用基于虛功原理的有限元計算，而是將有限元網(wǎng)格圖形化處理。如果使第二步中定義的約束點發(fā)生偏移，而其余相鄰節(jié)點在約束點的“拉扯”下也發(fā)生一定的位移，并且距離約束點越近，偏移越大，那么網(wǎng)格模型完全可以從展開狀態(tài)變形至折疊狀態(tài)。
[0070]定義網(wǎng)格模型上某節(jié)點作為約束點P，并根據(jù)空間偏移量得到偏移后約束點P'變形區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點Q構(gòu)造成一個三角形ΛΡΡ% (圖7)，設(shè)Λ PP*Q所在平面與變形區(qū)域邊界I相交于一點Q。，采用Q。、P'P這三點構(gòu)造一個新的三角形ΛΡΡ\ (圖8)；
[0071]在上述P點、P*點和Q。點所構(gòu)成的三角形Λ PP*QC,設(shè)點Qp為點Q在直線QcP的投影，計算出變形區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點Q的偏移權(quán)重t，計算公式為:
[0072]t= I Qp (x, y, z) -P (x, y, z) | / | Qc (x, y, z) -P (x, y, z)(I)
[0073]根據(jù)偏移權(quán)重t計算出點Q在直線/frp上相應(yīng)的點^坐標(biāo):
[0074]
【權(quán)利要求】
1.一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:首先基于間接變形原理進(jìn)行織物逆向折疊建模得到折疊模型，其次采用有限元方法對折疊模型進(jìn)行充氣展開計算，實現(xiàn)復(fù)雜充氣展開織物的工作過程有限元仿真；其中所述逆向折疊建模過程如下: 步驟一:使用殼單元對展開狀態(tài)織物進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立完全展開狀態(tài)下的織物有限元網(wǎng)格模型； 步驟二:選擇變形策略，即在織物有限元網(wǎng)格模型上指定約束節(jié)點、空間偏移量、變形區(qū)域的網(wǎng)格單元以及變形邊界上的節(jié)點； 步驟三:對變形區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行基于間接變形原理的插值偏移，使變形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點響應(yīng)約束點偏移； 步驟四:單元質(zhì)量檢測； 對變形后的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測，如果網(wǎng)格質(zhì)量不合格，重新選擇變形策略，再次重復(fù)步驟二至步驟三，直至變形后的網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:所述有限元方法為控制體積法或流固耦合方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:所述殼單元為三角形單元或者四邊形單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:步驟二和步驟三的具體過程為: 根據(jù)實際折疊方式，定義網(wǎng)格模型上某節(jié)點作為約束點P，并根據(jù)空間偏移量得到偏移后約束AP*，變形區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點Q構(gòu)造成一個三角形APP*Q，設(shè)ΛΡΡ%所在平面與變形區(qū)域邊界I相交于一點Q。，采用Q。、P'P這三點構(gòu)造一個新的三角形Λ PP^ ； 在上述P點、P*點和Q。點所構(gòu)成的三角形ΛΡΡ%!。，設(shè)點Qp為點Q在直線QcP的投影，計算出變形區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點Q的偏移權(quán)重t，計算公式為:
t= I Qp (χ, y, z) -P (χ, y, z) / | Qc (x, y, z) -P (x, y, z)(I) 根據(jù)偏移權(quán)重t計算出點Q在直線Ifcf上相應(yīng)的點0;坐標(biāo):z) = t- Q^(x,y, 2) + (I — ?) Ρ*{χ, y,z)(2) 而網(wǎng)格節(jié)點Q變形后的最終空間坐標(biāo)為:= βρ(x.,ν%z) + |β(Λ%.V-,?) ^ Qp(x%.V,ζ)|.n(3) 其中，矢量 Qp (χ, y, ζ)表示點 Qp 的空間坐標(biāo)，P (x, y, z)、Qc (x, y, ζ)、P* (χ, y, ζ)、Q*(χ, Y, ζ)、Ql(x,y,z)、Qp (χ, Y, ζ)分別表示點 P、點 Qc、點 P*、點 Q*、點Q;、點 Qp 的空間坐標(biāo)；η為點β;處的法向矢量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:若存在多約束點Pn，則單獨計算點Q在各個約束點影響下的偏移量，最后對所有偏移量進(jìn)行平均計算。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:所述交點Q。的坐標(biāo)通過單元邊插值獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:在步驟四中是采用雅克比行列式對變形后的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:還包括步驟五 :對不適合采用基于間接變形的逆向折疊建模的部分，采用其他方法處理，其他方法包括坐標(biāo)變換方法、流固耦合方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種充氣展開織物工作過程的有限元分析方法，其特征在于:還包括步驟六:采用修正應(yīng)力對間接變形產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，具體為: 將展開狀態(tài)的網(wǎng)格作為參考網(wǎng)格，而折疊后的網(wǎng)格作為映射網(wǎng)格，比較兩套網(wǎng)格之間的差異，計算出修正應(yīng)力，在折疊后的網(wǎng)格上施加修正應(yīng)力，保證折疊模型充氣展開后和展開模型相同。
【文檔編號】G06F17/50GK103544347SQ201310488110
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】程涵, 余莉, 展亞南, 嚴(yán)曉雪, 馮云明, 陳瀟 申請人:南京航空航天大學(xué)