一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法，屬于非線性柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)領(lǐng)域。本方法包括下列步驟：1、計算模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，確定有限單元數(shù)據(jù)信息；2、建立有限單元分析模型，確定單元慣性力、內(nèi)力矢量以及切向慣性矩陣和切向剛度矩陣；3、采用廣義能量—動量算法并結(jié)合牛頓-拉夫遜迭代技術(shù)進(jìn)行柔性殼結(jié)構(gòu)的大變形響應(yīng)計算；4、計算結(jié)果后處理操作。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地計算基礎(chǔ)作大范圍運(yùn)動時的柔性殼結(jié)構(gòu)的大位移、大轉(zhuǎn)動的大變形響應(yīng)，能夠廣泛應(yīng)用于直升機(jī)旋翼槳葉、衛(wèi)星太陽能帆板、渦輪機(jī)葉片、微型飛行器柔性拍動翅等柔性結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)響應(yīng)計算。
【專利說明】一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明涉及一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法，屬于非線性柔 性結(jié)構(gòu)動力學(xué)領(lǐng)域。
[0002]

【背景技術(shù)】 基礎(chǔ)運(yùn)動的柔性殼結(jié)構(gòu)廣泛存在于工程應(yīng)用中，如直升機(jī)旋翼槳葉、渦輪機(jī)葉片、衛(wèi)星 太陽能帆板等。隨著人們不斷地追求更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，輕質(zhì)、高度柔性的殼結(jié)構(gòu)不斷涌 現(xiàn)。高度柔性殼結(jié)構(gòu)在大范圍且快速的基礎(chǔ)運(yùn)動(平動與轉(zhuǎn)動）的激勵下常常會產(chǎn)生大位 移、大轉(zhuǎn)動的大變形運(yùn)動。發(fā)展準(zhǔn)確有效的有限元建模技術(shù)以計算其復(fù)雜的大變形響應(yīng)對 它們的設(shè)計及運(yùn)動控制具有重要的研究意義和廣泛的應(yīng)用價值。
[0003] 有限元方法是在理論研究、工程應(yīng)用中對特定對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的常用計算方 法，自該方法出現(xiàn)以來，人們開發(fā)了大量的商用有限元軟件廣泛地應(yīng)用于航空航天、建筑等 領(lǐng)域。然而，對于基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼的大變形響應(yīng)問題，現(xiàn)有的商用有限元軟件無法進(jìn)行計 算，其主要原因在于該問題同時涉及結(jié)構(gòu)大變形的幾何非線性效應(yīng)以及基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的 慣性非線性效應(yīng)。此外，在已經(jīng)報導(dǎo)的科技文獻(xiàn)中，求解這類問題的計算方法主要是基于小 變形假設(shè)的有限元建模技術(shù)，在該技術(shù)中首先定義一個浮動參考系固結(jié)于柔性殼結(jié)構(gòu)作指 定的基礎(chǔ)運(yùn)動，然后采用有限元建模技術(shù)在浮動參考系中對柔性殼的小變形響應(yīng)進(jìn)行建模 分析。然而，當(dāng)基礎(chǔ)運(yùn)動引起的幾何非線性較強(qiáng)時，基于小變形假設(shè)的有限元建模技術(shù)會產(chǎn) 生較大誤差甚至錯誤的結(jié)果。由此可見，對于基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼的大變形響應(yīng)計算，現(xiàn)有技 術(shù)存在一系列的限制，有必要探索新的建模技術(shù)以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004]


【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元 建模方法，該方法在浮動參考系中對柔性殼結(jié)構(gòu)運(yùn)動引入大變形假設(shè)，能夠準(zhǔn)確地計算基 礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)涉及大位移、大轉(zhuǎn)動的大變形響應(yīng)。
[0005] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案： 一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法，包括以下步驟： 步驟1、計算模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：包括采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件建立柔性殼結(jié)構(gòu)的幾何模 型，采用網(wǎng)格劃分軟件劃分計算網(wǎng)格單元，對單元的材料屬性及厚度進(jìn)行賦值； 步驟2、建立有限單元分析模型：包括確定單元的慣性力、內(nèi)力矢量以及切向慣性矩陣 與切向剛度矩陣； 步驟3、進(jìn)行柔性殼大變形響應(yīng)計算：對于某一時間步長內(nèi)的某次迭代包括確定基礎(chǔ) 運(yùn)動的平動和轉(zhuǎn)動的速度與加速度，利用步驟1得到的計算模型數(shù)據(jù)結(jié)合步驟2建立的有 限單元分析模型，根據(jù)時間積分算法及迭代求解技術(shù)建立單元迭代方程，對所有單元進(jìn)行 組集得到結(jié)構(gòu)迭代方程并進(jìn)行求解，對計算結(jié)果進(jìn)行更新，判定計算收斂是否收斂以推進(jìn) 至下一時間步或下一次迭代的計算； 步驟4、對計算結(jié)果進(jìn)行后處理操作：包括繪制結(jié)構(gòu)的變形構(gòu)形圖，某點(diǎn)的位移、速度 響應(yīng)曲線以及結(jié)構(gòu)的動能、應(yīng)變能及總能量曲線。
[0006] 步驟3所述的大變形響應(yīng)是指大位移和大轉(zhuǎn)動響應(yīng)。
[0007] 步驟1所述的計算網(wǎng)格單元為三角形單元。
[0008] 步驟2所述的單元慣性力矢量是指基于幾何精確準(zhǔn)力學(xué)殼模型運(yùn)動學(xué)描述的，所 述的單元內(nèi)力矢量是指基于共旋列式理論的。
[0009] 步驟3所述的時間積分算法為廣義能量一動量算法，所述的迭代求解技術(shù)為牛 頓一拉夫遜迭代技術(shù)。
[0010] 步驟3所述的對計算結(jié)果進(jìn)行更新是指采用標(biāo)準(zhǔn)的紐馬克公式材料形式的角速 度及角加速度進(jìn)行更新的技術(shù)。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 1. 對于基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題，本發(fā)明的有限元建模方法通過引入幾何 精確準(zhǔn)靜力學(xué)殼模型的運(yùn)動學(xué)模型結(jié)合共旋列式的理論思想，完整地計入了非線性慣性效 應(yīng)以及幾何非線性效應(yīng)。
[0012] 2. 本發(fā)明的有限元建模方法既可用于計算涉及大位移、大轉(zhuǎn)動的大變形響應(yīng)， 也可用于計算涉及小位移、小轉(zhuǎn)動的小變形響應(yīng)。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】 圖1為本發(fā)明的有限元建模方法流程圖。
[0014] 圖2為堅直放置的旋轉(zhuǎn)柔性板示意圖。
[0015] 圖3為堅直放置旋轉(zhuǎn)柔性板在不同時刻的小變形構(gòu)形俯視圖。
[0016] 圖4為堅直放置旋轉(zhuǎn)柔性梁在不同時刻的大變形構(gòu)形俯視圖。
[0017] 圖5為水平放置考慮重力作用的旋轉(zhuǎn)柔性板示意圖。
[0018] 圖6為水平放置旋轉(zhuǎn)柔性板在不同時刻的大變形構(gòu)形圖。
[0019] 具體實(shí)施步驟 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020] 本發(fā)明的有限元建模方法如圖1所示： 步驟1.計算模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
[0021] 在計算機(jī)輔助設(shè)計（CAE)軟件中建立柔性殼結(jié)構(gòu)的幾何模型，將該幾何模型導(dǎo)入 到網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，而后導(dǎo)出為單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及結(jié)點(diǎn)鏈接列表，并對 每個單元的材料屬性(密度、彈性模量及泊松比）和厚度進(jìn)行賦值。
[0022] 步驟2.建立有限元分析模型。

【權(quán)利要求】
1. 一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟1、計算模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：包括采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件建立柔性殼結(jié)構(gòu)的幾何模 型，采用網(wǎng)格劃分軟件劃分計算網(wǎng)格單元，對單元的材料屬性及厚度進(jìn)行賦值； 步驟2、建立有限單元分析模型：包括確定單元的慣性力、內(nèi)力矢量以及切向慣性矩陣 與切向剛度矩陣； 步驟3、進(jìn)行柔性殼大變形響應(yīng)計算：對于某一時間步長內(nèi)的某次迭代包括確定基礎(chǔ) 運(yùn)動的平動和轉(zhuǎn)動的速度與加速度，利用步驟1得到的計算模型數(shù)據(jù)結(jié)合步驟2建立的有 限單元分析模型，根據(jù)時間積分算法及迭代求解技術(shù)建立單元迭代方程，對所有單元進(jìn)行 組集得到結(jié)構(gòu)迭代方程并進(jìn)行求解，對計算結(jié)果進(jìn)行更新，判定計算收斂是否收斂以推進(jìn) 至下一時間步或下一次迭代的計算； 步驟4、對計算結(jié)果進(jìn)行后處理操作：包括繪制結(jié)構(gòu)的變形構(gòu)形圖，某點(diǎn)的位移、速度 響應(yīng)曲線以及結(jié)構(gòu)的動能、應(yīng)變能及總能量曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法， 其特征在于，步驟3所述的大變形響應(yīng)是指大位移和大轉(zhuǎn)動響應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法， 其特征在于，步驟1所述的計算網(wǎng)格單元為三角形單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法， 其特征在于，步驟2所述的單元慣性力矢量是指基于幾何精確準(zhǔn)力學(xué)殼模型運(yùn)動學(xué)描述 的，所述的單元內(nèi)力矢量是指基于共旋列式理論的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法， 其特征在于，步驟3所述的時間積分算法為廣義能量一動量算法，所述的迭代求解技術(shù)為 牛頓-拉夫遜迭代技術(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基礎(chǔ)運(yùn)動時柔性殼結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)的有限元建模方法， 其特征在于，步驟3所述的對計算結(jié)果進(jìn)行更新是指采用標(biāo)準(zhǔn)的紐馬克公式材料形式的角 速度及角加速度進(jìn)行更新的技術(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK104091003SQ201410302014
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】楊勁松, 夏品奇 申請人:南京航空航天大學(xué)