本發(fā)明涉及航空航天結(jié)構(gòu)主承力構(gòu)件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提供一種壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)有限元快速建模方法。

背景技術(shù)：

由于三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的承載效率高等優(yōu)勢(shì)，壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用于我國(guó)新研制運(yùn)載火箭貯箱筒段中。壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)一般由幾塊三角形網(wǎng)格加筋壁板(曲板)拼焊而成。由于機(jī)械銑工藝在輕質(zhì)化上的作用，單塊壁板一般由板材磙彎后機(jī)械銑出網(wǎng)格或先銑出網(wǎng)格后磙彎而成。本發(fā)明以上兩種工藝均適用。

壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一般采用有限元方法分析。有限元分析中占用設(shè)計(jì)員時(shí)間最多的是其中的有限元建模過(guò)程。建立壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)有限元模型的常規(guī)方法主要有兩種：一種是通過(guò)三維cad模型直接導(dǎo)入建立cae模型的方式，但該方式只能建立實(shí)體有限元模型，模型規(guī)模較大，且劃分網(wǎng)格效率較低；一種采用直接在有限元軟件中直接建立幾何圓柱殼，并采用螺旋旋轉(zhuǎn)面方式建立筋條幾何模型，該建模方法則經(jīng)常遇到多個(gè)面相交產(chǎn)生小面，無(wú)法劃分有限元網(wǎng)格或有限元網(wǎng)格質(zhì)量較差的問(wèn)題，建模效率也較低。本文提出一種基于節(jié)點(diǎn)映射的壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)有限元建模方法，該方法可以避免上述兩種方法的問(wèn)題，快速生成高質(zhì)量有限元網(wǎng)格。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高壁板焊接三角網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的有限元建模速度，便于后續(xù)對(duì)壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)體進(jìn)行快速有限元分析，設(shè)計(jì)出符合要求的三角形網(wǎng)格加筋貯箱結(jié)構(gòu)等。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)快速有限元建模方法，該快速有限元建模方法針對(duì)網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，先建立平面展開(kāi)有限元模型，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)變化的方式生成網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)有限元模型。在具體建立平面展開(kāi)有限元模型時(shí)，通過(guò)建立三角形網(wǎng)格單胞陣列復(fù)制等方式，快速生成高質(zhì)量有限元網(wǎng)格。所述的三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的快速有限元建模方法包括以下步驟：

第一步，將壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋壁板展開(kāi)到平面，計(jì)算展開(kāi)后的周長(zhǎng)2πr。

第二步，由于壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的周期性，可以通過(guò)建立單個(gè)三角形網(wǎng)格胞元再陣列復(fù)制等方式實(shí)現(xiàn)快速建模。具體步驟如下：

2.1)建立蒙皮模型；

2.2)根據(jù)壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的壁板數(shù)量建立壁板分區(qū)模型；

2.3)根據(jù)三角形網(wǎng)格幾何尺寸，拉伸建立三角形網(wǎng)格胞元模型；

2.4)對(duì)三角形網(wǎng)格胞元進(jìn)行雙方向陣列復(fù)制，得出單塊三角形壁板模型；

2.5)對(duì)單塊壁板進(jìn)行環(huán)向陣列，得出壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的平面展開(kāi)模型。

第三步，劃分第二步2.5)得到的平面展開(kāi)模型后，得到壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)殼的有限元網(wǎng)格。

第四步，通過(guò)節(jié)點(diǎn)編輯工具，將第三步得到的有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)從平面映射到柱面，形成壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋柱殼的有限元網(wǎng)格模型。所述的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)映射關(guān)系如下：

其中，(x0，y0，z0)為節(jié)點(diǎn)在平面展開(kāi)模型上的坐標(biāo)，(x′,y′,z′)為該節(jié)點(diǎn)映射到柱殼模型上的坐標(biāo)。所述的壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋柱殼的有限元網(wǎng)格模型由多個(gè)殼單元組成。

也可以通過(guò)循環(huán)程序，對(duì)三角形網(wǎng)格加筋中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，讀取其平面坐標(biāo)值(x0,y0,z0)，按照節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)映射關(guān)系的公式，將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為(x′,y′,z′)。

第五步，對(duì)殼單元進(jìn)行屬性定義，具體為：蒙皮厚度ts、筋條厚度tw、焊接加厚區(qū)厚度th賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域。

本發(fā)明的有益效果為：1)本發(fā)明采用柱面展開(kāi)方法，將壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)變?yōu)楹?jiǎn)單的平板結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了建模過(guò)程，提高了建模效率，而且避免了直接在柱面建模時(shí)由于在多個(gè)面交界處出現(xiàn)小面導(dǎo)致無(wú)法劃分網(wǎng)格的情況，劃分出的網(wǎng)格質(zhì)量較高。2)采用胞元陣列和復(fù)制方式建立平面展開(kāi)狀態(tài)三角形網(wǎng)格加筋壁板有限元模型，提高了建模效率。

附圖說(shuō)明

圖1為壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋貯箱筒段示意圖；

圖2(a)為壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)筒段的展開(kāi)示意圖；

圖2(b)為圖2(a)中i局部放大圖；

圖2(c)為圖2(b)中a-a截面剖面圖；

圖2(d)為圖2(b)中c-c截面剖面圖；

圖3為蒙皮模型幾何尺寸圖；

圖4蒙皮模型上建立的壁板分區(qū)模型示意圖；

圖5為三角形網(wǎng)格胞元模型圖；

圖6為單塊壁板模型圖；

圖7為通過(guò)本方法建立的三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)平面展開(kāi)模型圖；

圖8為從平面網(wǎng)格模型映射到圓柱面網(wǎng)格模型示意圖；

圖9(a)為本方法建立的壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)有限元模型；

圖9(b)為圖9(a)局部放大圖；

圖中，r為壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)外表面半徑；2πr為結(jié)構(gòu)周長(zhǎng)；l為結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度，nz為筒段數(shù)量，l/nz為單個(gè)筒段長(zhǎng)度；bh為焊接邊寬度；bs為等邊三角形網(wǎng)格尺寸：nt為單個(gè)筒段壁板數(shù)量，2πr/nt為單個(gè)筒段壁板周長(zhǎng)；h為筋條高度；th為焊接邊厚度：tw為筋條厚度；ts為蒙皮厚度。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。

壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的典型產(chǎn)品如圖1所示。其結(jié)構(gòu)形式為薄壁圓筒加筋結(jié)構(gòu)，一般通過(guò)多塊壁板通過(guò)環(huán)向焊接、軸向焊接而成。

壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋單塊壁板為等邊三角形周期性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)可以通過(guò)一組參數(shù)來(lái)表征，如圖2(a)-圖2(d)中所示。

其中，壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

結(jié)構(gòu)高度：l

筒段數(shù)量：nz

單個(gè)筒段壁板數(shù)量：nt

焊接邊寬度：bh

等邊三角形網(wǎng)格尺寸：bs

筋條高度：h

焊接邊厚度：th

筋條厚度：tw

蒙皮厚度：ts

本發(fā)明方法在abaqus軟件中可以得到更方便的應(yīng)用，下面以abaqus軟件為例，對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，具體步驟如下：

第一步，將壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋壁板展開(kāi)到平面，計(jì)算展開(kāi)后的周長(zhǎng)2πr。

第二步，建立展開(kāi)后的壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)殼模型，由于三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的周期性，可以通過(guò)建立單個(gè)三角形網(wǎng)格胞元再陣列復(fù)制等方式實(shí)現(xiàn)快速建模。具體步驟如下：

2.1)建立蒙皮模型如圖3所示。

2.2)根據(jù)壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的壁板數(shù)量建立壁板分區(qū)模型，拉伸出壁板焊接邊緣環(huán)縱筋如圖4所示。

2.3)根據(jù)三角形網(wǎng)格幾何尺寸，拉伸建立三角形網(wǎng)格胞元模型如圖5所示。

2.4)對(duì)三角形網(wǎng)格胞元進(jìn)行雙方向陣列復(fù)制，得出單塊三角形壁板模型如圖6所示。

2.5)對(duì)單塊壁板進(jìn)行環(huán)向陣列，得出壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的平面展開(kāi)模型如圖7所示。

第三步，劃分第二步2.5)得到的平面展開(kāi)模型后，得到壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)殼的有限元網(wǎng)格。

第四步，通過(guò)節(jié)點(diǎn)編輯工具，將第三步得到的有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)從平面映射到柱面，形成壁板焊接機(jī)械銑三角形網(wǎng)格加筋柱殼有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)映射關(guān)系如下。

其中(x0,y0,z0)為節(jié)點(diǎn)在平面展開(kāi)模型上的坐標(biāo)，(x′,y′,z′)為該節(jié)點(diǎn)映射到柱殼模型上的坐標(biāo)。

具體實(shí)施過(guò)程可以通過(guò)循環(huán)程序，對(duì)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，讀取其平面坐標(biāo)值(x0,y0,z0)，按照上述公式，將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置為(x′,y′,z′)。

第五步，對(duì)殼單元進(jìn)行屬性定義，具體為：蒙皮厚度ts、筋條厚度tw、焊接加厚區(qū)厚度th賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域。具體實(shí)施過(guò)程中可以通過(guò)abaqus軟件中建立群組(set)等工具的輔助，更快速實(shí)現(xiàn)殼單元屬性定義。

通過(guò)本方法建立的壁板焊接三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)有限元模型如圖9(a)和圖9(b)所示。