專利名稱:一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,屬于航空推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。
(ニ)
背景技術(shù):
蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)是由兩層薄而強(qiáng)的面板材料,中間夾ー層厚而輕的蜂窩芯組成,這類材料的最大特點(diǎn)是質(zhì)輕,比強(qiáng)度高,比剛度高,上世紀(jì)五、六十年代,高性能的蜂窩制造技術(shù)已經(jīng)成熟,蜂窩結(jié)構(gòu)被普遍地應(yīng)用于飛機(jī)、航空以及航天工業(yè)。與傳統(tǒng)材料相比,蜂窩蒙皮材料具有低密度、低熱導(dǎo)率、高比剛度、高比強(qiáng)度、壓縮應(yīng)變大、良好的能量吸收特性、高可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn),是適用于航空航天領(lǐng)域的ー種重要的復(fù)合材料。目前對(duì)蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析通常采用等效法或?qū)嶒?yàn)法。等效法采用結(jié)構(gòu)均勻化理論,可推導(dǎo)出蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的等效彈性參數(shù),其缺點(diǎn)在于對(duì)應(yīng)力集中導(dǎo)致的復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)變的影響,很難進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)法只可以得到蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)材料特性的經(jīng)驗(yàn)值,難以 建立蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。顯然,傳統(tǒng)的等效法和實(shí)驗(yàn)法難以滿足蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的分析需要,故對(duì)蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析應(yīng)傾向于使用有限元法。然而使用有限元法對(duì)蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性分析的難點(diǎn)在于蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu),尤其是具有復(fù)雜切割邊界的異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu),難以建立有限元模型,使用現(xiàn)有的有限元前處理軟件對(duì)蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模只能采用手動(dòng)方式,這將耗費(fèi)很多時(shí)間和資源,而對(duì)于ー些大型結(jié)構(gòu),手動(dòng)建模甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此,需要發(fā)展和新設(shè)計(jì)ー種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,實(shí)現(xiàn)異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的快速劃分,以滿足工程需要。
發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,它解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足,實(shí)現(xiàn)了異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的快速劃分,滿足了工程的需要。2、技術(shù)方案本發(fā)明g在生成異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格,該結(jié)構(gòu)的夾芯蜂窩采用六邊形蜂窩形式,邊界處切割成型,蜂窩與蜂窩之間通過粘接方式相連接,存在ー個(gè)粘接方向,且在粘接方向上存在蜂窩間的粘接厚度;為獲得不同的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,蜂窩結(jié)構(gòu)可沿任意方向排布。本發(fā)明ー種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元建模方法的基本思想是首先,提取異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的一個(gè)橫截面,井根據(jù)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的幾何特性在該截面上進(jìn)行線單元的劃分,以線單元為基礎(chǔ),利用厚度方向插值的方法生成夾芯蜂窩結(jié)構(gòu)的殼單元;然后,根據(jù)線單元的劃分情況生成蒙皮結(jié)構(gòu)的殼單元;最后,將蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元模型信息輸出為可被通用有限元處理軟件讀取的文件。本發(fā)明ー種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,其具體步驟如下步驟ー建立異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型;首先,根據(jù)給定的異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的邊界特性,選擇ー個(gè)垂直于蜂窩縱向方向的截面,建立該異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型,本發(fā)明中,蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)截面的幾何模型建立在笛卡爾坐標(biāo)系的χ-y面上,蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的厚度方向位于z軸方向;然后,將截面幾何模型劃分成多個(gè)形狀規(guī)則的四邊形分區(qū),本發(fā)明中,需進(jìn)行多次點(diǎn)位于平面幾何模型區(qū)域內(nèi)的判斷,以及蜂窩結(jié)構(gòu)厚度方向的插值計(jì)算,這兩種計(jì)算都基于四邊形平面幾何區(qū)域,故需根據(jù)模型實(shí)際情況對(duì)截面進(jìn)行適當(dāng)劃分;最后,由于本發(fā)明根據(jù)六邊形蜂窩的幾何特性進(jìn)行有限元建模,本方法假設(shè)蜂窩粘接方向位于y軸方向,故若需要蜂窩粘接方向位于其它方向,要將蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型在坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,待建模完成后,再將有限元模型旋轉(zhuǎn)回原角度,其中,以一點(diǎn)Pci(Xt),yo)為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn),將點(diǎn)P(x,y)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角得到點(diǎn)Pt(xt,yt)的坐標(biāo)值
的運(yùn)算用矩陣表示為
權(quán)利要求
1. 一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一建立異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型; 首先,根據(jù)給定的異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的邊界特性,選擇一個(gè)垂直于蜂窩縱向方向的截面,建立該異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型,蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)截面的幾何模型建立在笛卡爾坐標(biāo)系的x-y面上,蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的厚度方向位于Z軸方向; 然后,將截面幾何模型劃分成多個(gè)形狀規(guī)則的四邊形分區(qū),這里需進(jìn)行多次點(diǎn)位于平面幾何模型區(qū)域內(nèi)的判斷,以及蜂窩結(jié)構(gòu)厚度方向的插值計(jì)算,這兩種計(jì)算都基于四邊形平面幾何區(qū)域,故根據(jù)模型實(shí)際情況對(duì)截面進(jìn)行劃分; 最后,根據(jù)六邊形蜂窩的幾何特性進(jìn)行有限元建模,假設(shè)蜂窩粘接方向位于I軸方向,若需要蜂窩粘接方向位于其它方向,要將蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型在坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,待建模完成后,再將有限元模型旋轉(zhuǎn)回原角度,其中,以一點(diǎn)PoUo,Yo)為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn),將點(diǎn)P(x,y)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Θ角得到點(diǎn)Pt(xt,yt)的坐標(biāo)值的運(yùn)算用矩陣表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,其特征在于步驟六中所述的對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理的方法,具體實(shí)施步驟如下 步驟一找出該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),即該蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)信息矩陣NInf中第三列元素值大于零的行數(shù),記作nin ; 步驟二 判斷nin是否等于6nd,若nin = 6nd,說明該蜂窩結(jié)構(gòu)是一個(gè)完整的域內(nèi)蜂窩,直接執(zhí)行步驟十三,若nin辛6nd,則說明蜂窩結(jié)構(gòu)被截面幾何模型邊界截?cái)啵チ送暾裕瑘?zhí)行步驟三; 步驟三對(duì)此蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序;使此蜂窩的節(jié)點(diǎn)信息矩陣NInf中從上到下的各行所代表的節(jié)點(diǎn)在蜂窩結(jié)構(gòu)中成逆時(shí)針順序排列,并且,矩陣NInf中的第一行代表按逆時(shí)針順序排列的截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的第一點(diǎn);將矩陣NInf的第一行挪至最后一行,其余各行分別向上移一行,這種操作進(jìn)行數(shù)次直至矩陣NInf符合本步驟的要求; 步驟四將矩陣NInf的最后一行的信息儲(chǔ)存在一個(gè)行向量pend中,顯然,pend表不按逆時(shí)針順序?qū)⒁M(jìn)入截面幾何模型區(qū)域的節(jié)點(diǎn)信息; 步驟五規(guī)定一個(gè)誤差范圍herr ; 步驟六處理該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)按逆時(shí)針順序排列的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)處; 首先,將截面幾何模型區(qū)域內(nèi)最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)記作P1即對(duì)應(yīng)矩陣NInf的第nin行,P1的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)記作P2即對(duì)應(yīng)矩陣NInf的第nin+Ι行,求得P1和P2連線與截面幾何模型邊界 的交點(diǎn)Pinl ; 然后,考察P1與Pinl之間的距離,若距離大于herr,則將區(qū)域外的節(jié)點(diǎn)移到截面幾何模型邊界上,即將點(diǎn)Pinl的坐標(biāo)值賦給矩陣NInf的第nin+Ι行的第四列和第五列,同時(shí),矩陣NInf的第nin+Ι行所代表的節(jié)點(diǎn)的屬性改為“不位于蜂窩角點(diǎn)”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”,即將矩陣NInf的第nin+Ι行的第二列元素值改為O,第三列元素值改為I ; 若Pl與Pinl之間的距離小于或等于herr,考慮nin為I的情況,這說明這個(gè)蜂窩只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi),且界內(nèi)點(diǎn)P1與交點(diǎn)Pinl的距離在誤差范圍之內(nèi),則將這個(gè)蜂窩舍棄,返回到權(quán)利要求I中的步驟十二,若nin不為1,則將區(qū)域內(nèi)最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)移到截面幾何模型邊界上,即將點(diǎn)Pinl的坐標(biāo)值賦給矩陣NInf的第nin行的第四列和第五列,同時(shí),矩陣NInf的第nin行所代表的節(jié)點(diǎn)的屬性改為“不位于蜂窩角點(diǎn)”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”,即將矩陣NInf的第nin行的第二列元素值改為O,第三列元素值改為I ; 步驟七找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù),并重新賦給nin,這表示這個(gè)蜂窩經(jīng)過以上步驟的操作,該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)nin進(jìn)行了更新; 步驟八處理該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)按逆時(shí)針順序排列的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處; 首先,將行向量pend所記錄的節(jié)點(diǎn)記作P1,將截面幾何模型區(qū)域內(nèi)第一點(diǎn)記作己,求得蜂窩結(jié)構(gòu)與截面幾何模型邊界的交點(diǎn)為Pin2 ; 然后,考察P2與Pin2之間的距離,若距離大于herr,考慮nin等于矩陣NInf的行數(shù)的情況,此時(shí)該蜂窩經(jīng)過步驟六的操作所有節(jié)點(diǎn)都變?yōu)橛騼?nèi)點(diǎn),需要在矩陣NInf的最后添加一行,即增加第6nd+l個(gè)節(jié)點(diǎn),這一行的內(nèi)容可暫時(shí)復(fù)制矩陣NInf的最后一行的內(nèi)容,若nin不等于矩陣NInf的行數(shù),則不需要做增加行的操作; 將矩陣NInf的最后一行挪到第一行,其余各行分別向后移一行,將此時(shí)矩陣NInf的第一行代表域內(nèi)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息,將Pin2的坐標(biāo)值賦給矩陣NInf第一行的第四列和第五列,同時(shí),矩陣NInf第一行所代表的節(jié)點(diǎn)屬性改為“不位于蜂窩角點(diǎn)”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”,即將矩陣NInf的第一行的第二列元素值改為O,第三列元素值改為I ; 若P2與Pin2之間的距離小于或等于herr,則將區(qū)域內(nèi)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)移到截面幾何模型邊界上,即將Pin2的坐標(biāo)值賦給矩陣NInf第一行的第四列和第五列,同時(shí),矩陣NInf第一行所代表的節(jié)點(diǎn)屬性改為“不位于蜂窩角點(diǎn)”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”,即將矩陣NInf的第一行的第二列元素值改為O,第三列元素值改為I ; 步驟九找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù),并重新賦給nin,這表示這個(gè)蜂窩經(jīng)過上述步驟的操作,該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)nin進(jìn)行了更新; 步驟十若蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)距離小于herr,則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并; 考察矩陣NInf的第I行所表示的節(jié)點(diǎn)與第nin行所表示的節(jié)點(diǎn)之間的距離值,若距離小于herr,則將矩陣NInf的第I行所表示的節(jié)點(diǎn)移到兩節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)處,即將矩陣NInf的第一行的第四列和第五列元素值改為兩節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)坐標(biāo)值,同時(shí),將第nin個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性改為“位于截面幾何模型區(qū)域外”,即將第nin行的第三列的元素值改為O ; 步驟十一找出該蜂窩結(jié)構(gòu)中位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)且位于蜂窩角點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),即矩陣NInf中第二列和第三列元素值都為I的行數(shù),記作ncd,若ncd< 1,則說明該蜂窩沒有角點(diǎn)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi),返回權(quán)利要求I中的步驟十二,若ncdSl,則找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù),并重新賦給nin ; 步驟十二 判斷這個(gè)蜂窩的樣式并進(jìn)行蜂窩節(jié)點(diǎn)排序; 首先,記該蜂窩在截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的第一個(gè)位于蜂窩角點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)在矩陣NInf中位于第Pos1R,并記Cl1 = Pos1-I,記該蜂窩在截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的最后一個(gè)位于蜂窩角點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)在矩陣NInf中位于第Pos2行,并記d2 = nin-pos2 ; 然后,若Cl1 > d2,則需將該蜂窩的節(jié)點(diǎn)變?yōu)槿缦马樞蛟騼?nèi)的最后一點(diǎn)作為域內(nèi)第一點(diǎn)即對(duì)應(yīng)矩陣NInf的第一行,并且各節(jié)點(diǎn)按順時(shí)針順序排列; 步驟十三找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù),并重新賦給nin,這表示這個(gè)蜂窩經(jīng)過上述步驟的操作,該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)nin進(jìn)行了更新; 該方法中對(duì)蜂窩進(jìn)行處理的方法的具體實(shí)施步驟中,需要求四點(diǎn)構(gòu)成的兩線段的交點(diǎn)坐標(biāo),具體求法如下 首先,假設(shè)兩條線段@和@的端點(diǎn)坐標(biāo)分別SP1 (Xl,Y1) > P2(χ2, y2)、P3(x3,y3)、Ρ4(χ4,y4); 然后,構(gòu)造下列參數(shù)
全文摘要
一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法,步驟如下一、建立其截面幾何模型;二、生成某環(huán)蜂窩中心點(diǎn);三、篩選域內(nèi)蜂窩;四、若本環(huán)無域內(nèi)蜂窩,執(zhí)行十五,否則執(zhí)行五;五、對(duì)本環(huán)的域內(nèi)蜂窩生成節(jié)點(diǎn);六、處理該蜂窩節(jié)點(diǎn);七、若該蜂窩域內(nèi)節(jié)點(diǎn)多于2個(gè),執(zhí)行八,否則執(zhí)行十三;八、劃分該蜂窩的線單元;九、劃分對(duì)應(yīng)的蒙皮單元;十、若蒙皮單元節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為0,執(zhí)行十一,否則執(zhí)行十三;十一、輸出蒙皮單元信息;十二、輸出蒙皮的節(jié)點(diǎn)信息;十三、若未處理完本環(huán)蜂窩,則執(zhí)行五,否則執(zhí)行十四;十四、若未處理完全部環(huán)的蜂窩,則執(zhí)行二,否則執(zhí)行十五;十五、輸出蜂窩單元信息;十六、輸出蜂窩節(jié)點(diǎn)信息;十七、輸出蜂窩粘接處單元集合信息。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102663152SQ20121005998
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者楊豐娜, 王延榮, 蔣向華, 魏大盛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)