一種三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出了一種對(duì)三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)化有限元建模的方 法，適用于對(duì)采用三角形網(wǎng)格加筋圓筒的導(dǎo)彈武器殼體、貯箱筒段等結(jié)構(gòu)的快速有限元建 模分析和基于參數(shù)化建模的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過參數(shù)化建模技術(shù)建立結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，利用優(yōu)化軟件，比如Isight 對(duì)模型進(jìn)行封裝和調(diào)用，在其優(yōu)化算法調(diào)度下可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高精度優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0003] 三角形網(wǎng)格加筋圓筒輕質(zhì)高強(qiáng)，承載能力高，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器殼體、推進(jìn)劑貯 箱筒段等結(jié)構(gòu)形式。
[0004] 對(duì)三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高結(jié)構(gòu)效率，最大發(fā)揮結(jié)構(gòu)形式的承 載潛力的必要過程。但由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，目前缺乏對(duì)三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)的有效參 數(shù)化有限元建模方法，也就無法實(shí)現(xiàn)基于有限元分析的高精度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié) 構(gòu)有限元參數(shù)化建模方法，該方法建模效率和模型精度高。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 本發(fā)明的一種三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模方法，該方法基于MSC. Patran的PCL語言建立三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，圓筒的高度H、外半 徑R、蒙皮厚度t、周向網(wǎng)格數(shù)目n、筋條交叉角度0、筋條高度h、寬度w等可以自由調(diào)整；
[0008] 步驟為：
[0009] 第一步，根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括圓筒的高度H、外半徑R、蒙 皮厚度t、周向網(wǎng)格數(shù)目n、筋條交叉角度0、筋條高度h、寬度w)計(jì)算建模所需的結(jié)構(gòu)主要 特征參數(shù)，主要特征參數(shù)包括三角形加筋網(wǎng)格的高度H'、三角形加筋網(wǎng)格的層數(shù)m、上下 端網(wǎng)格高度ffi。計(jì)算方法如下：
[0010] 三角形加筋網(wǎng)格的高度H':
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模方法，其特征在于步驟為： 第一步，根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算建模所需的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，特征參數(shù)包括三角 形加筋網(wǎng)格的高度屮、三角形加筋網(wǎng)格的層數(shù)m、上下端網(wǎng)格高度Hb ; 計(jì)算方法如下： 三角形加筋網(wǎng)格的高度屮：
上下端網(wǎng)格高度Hb: Hb = (H-H，· m)/2 (2) 所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括圓筒的高度H、外半徑R、蒙皮厚度t、周向網(wǎng)格數(shù)目n、筋條交 叉角度Θ、筋條高度h、寬度w; 第二步，建立平面單胞網(wǎng)格單元；在完整網(wǎng)格區(qū)，每個(gè)三角形網(wǎng)格為一個(gè)單胞，包括正 置和倒置兩種；在圓筒上下端，不足一層網(wǎng)格部分，建立一個(gè)三角形單元單胞和一個(gè)梯形單 元單胞；加強(qiáng)筋用梁單元模擬，共有8個(gè)單胞梁單元； 第三步，陣列單胞單元形成圓筒的平面展開模型；通過兩次陣列實(shí)現(xiàn)，第一次將兩個(gè)完 整三角形單胞單元和相應(yīng)梁單元陣列m-1次，形成一個(gè)斜長條，第二次將這個(gè)長條整體陣 列n-1次形成完整展開模型； 第四步，對(duì)第三步得到的平面展開模型有限元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，將每個(gè)三角形單元剖分 為12個(gè)四邊形單元，每個(gè)梯形單元剖分為16個(gè)四邊形單元，每個(gè)梁單元剖分為4個(gè)梁單 元；其中每個(gè)梁單元等分為4個(gè)梁單元，每個(gè)梯形單元剖分為4X4總計(jì)16個(gè)四邊形單元， 三角形單元首先剖分為3個(gè)四邊形單元，然后每個(gè)四邊形單元再剖分為2X2個(gè)四邊形單 元，總計(jì)每個(gè)三角形單元剖分為12個(gè)四邊形單元； 第五步將平面模型卷起為圓筒，方法為： 1)建立節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏移函數(shù)；偏移函數(shù)的作用計(jì)算從節(jié)點(diǎn)二維展開坐標(biāo)和圓筒坐標(biāo)的 偏移量，為空間向量函數(shù)；以平面網(wǎng)格位于"X-Y"平面，其中X方向?yàn)閳A筒展開方向，Y方向 為圓筒高度方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于展開圖左下角，"卷起"后的圓筒高度方向不變，其平面網(wǎng)格 "卷起"的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)偏移函數(shù)為：
其中： R，圓筒外半徑； t，蒙皮厚度 sin ()，弧度制正弦函數(shù)； cos O，弧度制余弦函數(shù)； Θ，坐標(biāo)原點(diǎn)"卷起"前后的連線與Z坐標(biāo)軸的夾角，弧度制，以順時(shí)針方向?yàn)檎? X、Y、Z，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)自變量； 以平面網(wǎng)格按順時(shí)針"卷起"時(shí)三角函數(shù)內(nèi)的符號(hào)為正，反之則為負(fù)； 2) 按第一步所確定的偏移函數(shù)，通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，將平面網(wǎng)格"卷起"為圓筒； 3) 消除圓筒對(duì)接線上的重復(fù)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用MSC. Patran軟件中"Equivalence"功能實(shí)現(xiàn)； 第六步，建立材料和單元屬性，其中蒙皮厚度、梁單元的高度和寬度均設(shè)為上文提到 的蒙皮厚度t、周筋條高度h、寬度w可變參數(shù)的值；當(dāng)蒙皮于中面建模時(shí)，筋條偏置量為 h+0. 5t，方向?yàn)閺较蛳騼?nèi)；梁單元拉伸為殼單元建模，此時(shí)殼單元的寬度為h+0. 5t，厚度為 w ； 第七步，建立載荷和邊界條件； 將上述步驟編成參數(shù)化建模腳本程序即可實(shí)現(xiàn)三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模方法，其特 征在于：三角形加筋網(wǎng)格的層數(shù)m的確定方法為：首先取m = int(H/H' )，int表示取整 數(shù)；如果m·^ >H則三角形加筋網(wǎng)格的層數(shù)m減1;如果H-m·屮彡0. 5H、三角形加筋 網(wǎng)格的層數(shù)m減1。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種對(duì)三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)化有限元建模的方法。本發(fā)明建立了三角形網(wǎng)格加筋圓筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模方法，并用MSC.PCL語言編程實(shí)現(xiàn)，建模參數(shù)包括圓筒的高度H、外半徑R、蒙皮厚度t、周向網(wǎng)格數(shù)目n、筋條交叉角度θ、筋條高度h、寬度w等共計(jì)7個(gè)，在滿足合理組合的前提下，上述7個(gè)參數(shù)的任意組合都可以快速建立有限元分析模型，經(jīng)實(shí)測在日常微機(jī)上建模時(shí)間約5秒。本方法具有建模自動(dòng)化水平高、速度快、單元質(zhì)量好，分析精度高的優(yōu)點(diǎn)，配合優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，比如Isight，可以實(shí)現(xiàn)三角形網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的高精度、快速優(yōu)化分析。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104679955
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510081878
【發(fā)明人】王立朋, 朱振濤, 曹昱, 閆冰, 佟文敏, 王婧超, 王江, 徐衛(wèi)秀, 吳浩, 王斌
【申請(qǐng)人】北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日