基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于有限元分析技術(shù)，涉及一種高效、快捷、準確的根據(jù)結(jié)構(gòu)總體分析結(jié)果完成局部結(jié)構(gòu)細節(jié)應(yīng)力分析（Global-Local）的方法?；诹Ψǖ腉lobal-Local細節(jié)有限元分析方法是通過獲得總體模型中所需進行的細節(jié)分析區(qū)域邊界上結(jié)構(gòu)內(nèi)力，作為隨后單獨進行的細節(jié)分析模型的外力邊界條件，來進行細節(jié)分析。它相對于傳統(tǒng)以位移為邊界的方法，具有高效、快捷、準確的特點。
【專利說明】基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有限元分析技術(shù)，涉及一種高效、快捷、準確的根據(jù)結(jié)構(gòu)總體分析結(jié)果 完成局部結(jié)構(gòu)細節(jié)應(yīng)力分析（Global-Local)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 細節(jié)決定成敗，在結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計中體現(xiàn)得尤為突出?，F(xiàn)階段，細節(jié)有限元應(yīng)力分 析已成為抗疲勞設(shè)計的主要手段。復(fù)雜結(jié)構(gòu)、特別是飛機結(jié)構(gòu)的細節(jié)分析常常采用大規(guī)模 的體元，同時考慮幾何、材料、邊界條件等的非線性因素進行分析來完成。這種細節(jié)分析由 于模型規(guī)模、有限元求解器求解功能等限制通常無法，也沒有必要在總體分析模型中完成， 常常單獨建立細節(jié)分析模型來完成。
[0003] 目前細節(jié)分析的一般方法是先完成粗網(wǎng)格的總體結(jié)構(gòu)的有限元線性分析，再在細 節(jié)模型中對所需分析的細節(jié)結(jié)構(gòu)進行細節(jié)分析模型建立，并從總體分析結(jié)果中提取細節(jié)模 型邊界條件來完成細節(jié)分析。單獨總體和細節(jié)分析均可用現(xiàn)有的各種商業(yè)CAE軟件較為方 便的完成，但從總體到局部的邊界條件的傳遞必須采用從總體到局部的Global-Local技 術(shù)來進行。但目前傳統(tǒng)Global-Local方法在適應(yīng)范圍、效率、精度上存在諸多限制，目前在 工程上缺乏高效、快捷、準確的方法。
[0004] 以MSC/Patran為代表的工程常用Global-Local方法是根據(jù)總體分析結(jié)果插值獲 得細節(jié)模型邊界位移場來作為細節(jié)分析模型的邊界條件進行細節(jié)分析，該方法主要存在如 下問題：
[0005] a)位移場插值僅能針對平動位移，轉(zhuǎn)動位移無法插值；
[0006] b)lD、2D單元產(chǎn)生的位移場無法施加3D單元上，其過渡手動完成，效率極為低下；
[0007] c)總體模型節(jié)點位移插值獲得位移場無法保證所分析的細節(jié)結(jié)構(gòu)所受載荷與實 際所受載荷一致。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的：
[0009] 本發(fā)明提供一種以邊界力為邊界條件的高效、快捷、準確的Global-Local方法。 [0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0011] 基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法是通過獲得總體模型中所需進行 的細節(jié)分析區(qū)域邊界上結(jié)構(gòu)內(nèi)力，作為隨后單獨進行的細節(jié)分析模型的外力邊界條件，來 進行細節(jié)分析?；诹Ψǖ腉lobal-Local細節(jié)有限元分析方法，該方法包括如下步驟：
[0012] A建立總體分析模型：根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度進行結(jié)構(gòu)離散網(wǎng)格化，建立正確反映結(jié)構(gòu)傳 力關(guān)系的總體模型，并根據(jù)總體應(yīng)力分析結(jié)果、設(shè)計規(guī)范要求確定需要進行細節(jié)分析的關(guān) 鍵部位；
[0013] B確定細節(jié)分析區(qū)域：根據(jù)所需細節(jié)分析結(jié)構(gòu)的位置、大小、與周邊的連接關(guān)系以 及適當(dāng)過渡區(qū)，在總體模型中確定細節(jié)分析Local區(qū)的范圍及邊界節(jié)點與單元，如果總體 模型中過度簡化的網(wǎng)格劃分影響Local的選擇，則對總體網(wǎng)格進行調(diào)整，以保證Local區(qū)所 受載荷符合真實的傳力關(guān)系；
[0014] C生成邊界單元及邊界節(jié)點：從總體分析模型中按指定格式生成邊界節(jié)點與邊界 單元信息；
[0015] D生成邊界節(jié)點的節(jié)點平衡力：確定總體分析中需要進行細節(jié)分析的載荷工況， 完成所需分析工況的含邊界節(jié)點的節(jié)點平衡力輸出的有限元分析；
[0016] E獲得Local區(qū)邊界內(nèi)力：根據(jù)步驟C獲得的邊界節(jié)點與邊界單元信息及步驟D獲 得的總體分析結(jié)果中的節(jié)點平衡力提取Local區(qū)邊界所受的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，該內(nèi)力將作為隨后 獨立進行的細節(jié)分析的外載邊界條件。
[0017] F建立細節(jié)模型：根據(jù)細節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、連接關(guān)系以及受載方式情況，建立細 節(jié)分析模型；
[0018] G生成細節(jié)分析文件：在步驟F生成的模型中定義包括外載、剛體位移約束及接 觸、連接關(guān)系，并根據(jù)求解問題的特性定義求解序列，并生成相應(yīng)的細節(jié)分析文件；
[0019] Η生成細節(jié)分析求解文件：根據(jù)Local區(qū)邊界節(jié)點坐標、邊界載荷、細節(jié)模型、手動 輸入載荷點信息、載荷點分支連接信息，采用邊界載荷點自動連接技術(shù)、邊界載荷點分支連 接技術(shù)生成邊界加載點與細節(jié)模型的連接關(guān)系，并按指定有限元求解器所需文件格式生成 邊界加載點連接、載荷卡并與步驟G所生成的分析文件合并生成最終細節(jié)計算分析文件；
[0020] I完成細節(jié)分析求解計算：調(diào)用選定有限元求解器完成細節(jié)分析計算，獲得細節(jié) 分析結(jié)果。
[0021] A所述的結(jié)構(gòu)剛度是指：結(jié)構(gòu)抵抗因受力而產(chǎn)生變形的能力；
[0022] A所述的總體模型是指：包含全機或整個部件結(jié)構(gòu)的采用較大尺寸單元的粗網(wǎng)格 進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散建立的有限元模型；
[0023] A所述的細節(jié)模型是指：針對總體模型中局部范圍的模型，將考慮結(jié)構(gòu)的真實連 接關(guān)系因素、采用較小尺寸單元建立有限元網(wǎng)格。主要用于獲得局部細節(jié)的真實、準確的應(yīng) 力應(yīng)變狀態(tài)。
[0024] B所述的Local區(qū)是指：與后續(xù)單獨進行細節(jié)分析的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的總體模型Global 的特定區(qū)域；
[0025] B所述的過渡區(qū)是指：為保證細節(jié)分析所需考核部位的分析結(jié)果的準確性，在 Local區(qū)選取時應(yīng)擴大的一定范圍。Local區(qū)應(yīng)是考核區(qū)域加上過渡區(qū)，過渡區(qū)的范圍一般 為總體模型網(wǎng)格尺寸的1. 5?2倍。
[0026] C所述的邊界節(jié)點是指：Local區(qū)與Global邊界界面以及Local區(qū)承受外載的節(jié) 占.
[0027] C所述的邊界單元是指：Local區(qū)中與邊界節(jié)點相連的所有單元；
[0028] D所述的節(jié)點平衡力是指：有限元分析中單個節(jié)點所受所有載荷的羅列，它包括 相連的各個單元對該節(jié)點的作用力、外部作用載荷、MPC力、SPC力。可根據(jù)此生成結(jié)果以及 Local區(qū)邊界單元信息獲得Local區(qū)的虛擬分割的自由體FreeBody內(nèi)力。
[0029] E所述的結(jié)構(gòu)內(nèi)力是指：虛擬的將完整結(jié)構(gòu)切開，切口兩側(cè)的結(jié)構(gòu)之間的相互作 用力。該內(nèi)力將作為后續(xù)單獨進行的細節(jié)分析模型的外載。
[0030] E所述的細節(jié)模型邊界載荷是指：Local區(qū)邊界節(jié)點上Global區(qū)對Local區(qū)的作 用的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以及Local區(qū)內(nèi)所受外載；
[0031] F所述的細節(jié)模型是指：考慮結(jié)構(gòu)的具體形式、分析問題類型因素，建立的有限元 網(wǎng)格模型；
[0032] G所述的細節(jié)分析文件是指在細節(jié)模型上完成材料特性、手動外載施加、剛體位移 約束以及接觸、連接關(guān)系定義，并完成求解序列定義，但不包括步驟E中獲得的細節(jié)模型邊 界載荷的可提交有限元求解器求解分析的文件。
[0033] Η所述的手動輸入載荷點是指：在細節(jié)模型邊界載荷中需要在Η步中手動施加的 載荷，手動輸入載荷點將不在自動連接時進行連接，也不形成載荷卡，該點載荷已在步驟G 中按分析所需形式，手動定義施加到細節(jié)模型上；
[0034] Η所述的載荷點分支連接信息是指：邊界載荷點采用分支連接時的加載點的分支 點數(shù)及分支點坐標信息；
[0035] Η所述的自動連接技術(shù)是指：邊界載荷點需與細節(jié)模型的節(jié)點相連才能完成邊界 載荷的施加，該項技術(shù)是根據(jù)加載點坐標、細節(jié)模型節(jié)點坐標自動完成邊界載荷點與細節(jié) 模型節(jié)點連接的技術(shù)；
[0036] Η所述的分支加載技術(shù)是指：根據(jù)結(jié)構(gòu)的真實連接情況，人為指定邊界載荷點分 支到多點與細節(jié)模型相連，以增加邊界載荷施加的真實性。邊界載荷節(jié)點位置是由總體模 型決定，由于總體模型對真實結(jié)構(gòu)可能進行了簡化較大，網(wǎng)格較粗，導(dǎo)致邊界上的傳力與真 實結(jié)構(gòu)有較大差異。
[0037] 本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0038] 本發(fā)明是針對具有復(fù)雜連接關(guān)系的結(jié)構(gòu)特別是飛機結(jié)構(gòu)的細節(jié)應(yīng)力分析，提供一 種以邊界力為邊界條件的Global-Local分析方法。它相對于傳統(tǒng)以位移為邊界的方法，具 有高效、快捷、準確的特點。具體優(yōu)點如下：
[0039] a.保證細節(jié)模型所受邊界載荷與總體分析中所受載荷完全一致，選取足夠過渡區(qū) 后無需考慮邊界條件的所引起的誤差；
[0040] b.對細節(jié)模型網(wǎng)格劃分的單元類型沒有任何限制，通用性大大增加；
[0041] c.采用力法，直觀、簡潔，可以方便實現(xiàn)垮CAE平臺的Global-Local分析，這可充 分利用各類CAE軟件的長處，這就大大提高了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計水平。
[0042] d.形成的Global-Local完整解決方案，規(guī)范、通用。易于編程，從而大大提高細節(jié) 分析的效率。
[0043] e.加載點分支連接技術(shù)可以大大降低由總體模型的過渡簡化所引起邊界載荷點 邊界載荷傳遞的不真實性，提高邊界區(qū)域的分析精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 圖1為基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法的技術(shù)流程圖；
[0045] 圖2為實例中懸臂梁示意圖；
[0046] 圖3為實例中2D單元的總體分析模型；
[0047] 圖4為實例中總體模型（Global)中細節(jié)分析區(qū)域（Local)部位；
[0048] 圖5為實例中實例中邊界單元及邊界節(jié)點定義；
[0049] 圖6為實例中細化的實體單元細節(jié)模型；
[0050] 圖7為實例中施加各類邊界條件與連接關(guān)系的細節(jié)模型；
[0051] 圖8為實例中總體應(yīng)力分析（Local區(qū)）最大主應(yīng)力等值線圖；
[0052] 圖9為實例中細節(jié)應(yīng)力分析最大主應(yīng)力等值線圖。

【具體實施方式】
[0053] 本發(fā)明基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法是在總體有限元模型分析 結(jié)果的基礎(chǔ)，以總體有限元模型中細節(jié)分析區(qū)域邊界的邊界節(jié)點內(nèi)力作為細節(jié)分析模型的 力邊界條件來進行細節(jié)分析。細節(jié)模型只需與總體模型的結(jié)構(gòu)對應(yīng)，且在細節(jié)分析范圍選 取時保證足夠的過渡區(qū)域(總體模型網(wǎng)格尺寸的1. 5?2倍)就能保證所關(guān)心細節(jié)部位的應(yīng) 力分析精度。
[0054] 下面結(jié)合具體實例來對本發(fā)明的具體步驟進行詳細說明。為方便方法的說明選取 了最簡單的實例。該實例為如圖2所示的中心開孔懸臂梁結(jié)構(gòu)。其具體參數(shù)如下：
[0055] 長：400mm(X向）、寬100mm(y向）、厚2mm(z向），板內(nèi)有一直徑為30mm的中心孔； 板左端固支、右端施加合力-50N的Z載荷。
[0056] 通過粗網(wǎng)格、低成本的總體應(yīng)力分析可以確定中心孔邊為該結(jié)構(gòu)的最危險部位， 細節(jié)分析的目的就是通過建立細網(wǎng)格的3D實體單元來準確獲得危險部位應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)， 為后續(xù)的各類強度分析提供不可或缺的數(shù)據(jù)。
[0057] 本發(fā)明基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法解決該問題的具體步驟如 下：
[0058] 步驟1 :建立粗網(wǎng)格的板元總體分析模型(如圖3)，施加邊界條件，完成細節(jié)所需 分析工況的含節(jié)點平衡力生成的有限元分析。在多工況、大模型時需限定生成節(jié)點的范圍 以減小生成結(jié)果文件的大?。?br> [0059] 步驟2:根據(jù)所需細節(jié)分析結(jié)構(gòu)的位置、大小、與周邊的連接關(guān)系在總體模型中確 定Local區(qū)(細節(jié)分析）的范圍及邊界節(jié)點與單元，如圖4中間粗線部位為Local區(qū)；
[0060] 步驟3:按Nastran bdf文件格式生成邊界節(jié)點與邊界單元(如圖5所示粗線為邊 界單元，點為邊界節(jié)點）；
[0061] 步驟4:根據(jù)邊界節(jié)點與邊界單元及總體分析結(jié)果中的節(jié)點平衡力獲得Local區(qū) 所受的結(jié)構(gòu)內(nèi)力（由自編程序自動從結(jié)果文件中提取)。
[0062] 步驟5:根據(jù)細節(jié)結(jié)構(gòu)的具體情況，建立與圖4粗線區(qū)區(qū)域?qū)?yīng)的細節(jié)分析模型 (如圖6所示）；
[0063] 步驟6:生成包括外載、剛體位移約束的細節(jié)分析文件(此例中未考慮其它復(fù)雜的 非線性問題）；
[0064] 步驟7:根據(jù)步驟3得到的Local區(qū)邊界節(jié)點坐標、載荷文件及步驟6完成的細節(jié) 模型文件，生成邊界加載點與細節(jié)模型的連接關(guān)系，并按分析模型文件格式生成連接、載荷 卡并與步驟6生成的分析文件合并生成最終細節(jié)分析文件(模型如圖7所示)。本步可由自 編程序自動完成。因本例結(jié)構(gòu)簡單，未采用手動載荷施加及分支加載技術(shù)；
[0065] 步驟8:完成細節(jié)分析求解計算。
[0066] 分析結(jié)果對比：
[0067] 圖8為總體應(yīng)力分析中Local區(qū)的最大主應(yīng)力等值線圖，圖9為Local區(qū)細節(jié)分 析的最大主應(yīng)力等值線圖，圖8、9對比分析表明，細節(jié)分析模型中邊界載荷施加區(qū)，應(yīng)力狀 態(tài)復(fù)雜，這主要是邊界節(jié)點施加集中載荷所致，在過渡區(qū)外，完全影響可以忽略。在孔邊應(yīng) 力集中處其結(jié)果更加準確，滿足了后續(xù)分析需要。
[0068] 應(yīng)當(dāng)指出，本例旨在對方法的說明，并未體現(xiàn)其對大規(guī)模、復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題處理的優(yōu) 勢。
【權(quán)利要求】
1. 基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，該方法包括如下步驟： A建立總體分析模型：根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度進行結(jié)構(gòu)離散網(wǎng)格化，建立正確反映結(jié)構(gòu)傳力關(guān) 系的總體模型，并根據(jù)總體應(yīng)力分析結(jié)果、設(shè)計規(guī)范要求確定需要進行細節(jié)分析的關(guān)鍵部 位； B確定細節(jié)分析區(qū)域：根據(jù)所需細節(jié)分析結(jié)構(gòu)的位置、大小、與周邊的連接關(guān)系以及適 當(dāng)過渡區(qū)，在總體模型中確定細節(jié)分析Local區(qū)的范圍及邊界節(jié)點與單元,如果總體模型 中過度簡化的網(wǎng)格劃分影響Local的選擇，則對總體網(wǎng)格進行調(diào)整，以保證Local區(qū)所受載 荷符合真實的傳力關(guān)系；其特征是， C生成邊界單元及邊界節(jié)點：從總體分析模型中按指定格式生成邊界節(jié)點與邊界單元 信息； D生成邊界節(jié)點的節(jié)點平衡力：確定總體分析中需要進行細節(jié)分析的載荷工況，完成 所需分析工況的含邊界節(jié)點的節(jié)點平衡力輸出的有限元分析； E獲得Local區(qū)邊界內(nèi)力：根據(jù)步驟C獲得的邊界節(jié)點與邊界單元信息及步驟D獲得 的總體分析結(jié)果中的節(jié)點平衡力提取Local區(qū)邊界所受的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，該內(nèi)力將作為隨后獨 立進行的細節(jié)分析的外載邊界條件； F建立細節(jié)模型：根據(jù)細節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、連接關(guān)系以及受載方式情況，建立細節(jié)分 析模型； G生成細節(jié)分析文件：在步驟F生成的模型中定義包括外載、剛體位移約束及接觸、連 接關(guān)系，并根據(jù)求解問題的特性定義求解序列，并生成相應(yīng)的細節(jié)分析文件； Η生成細節(jié)分析求解文件：根據(jù)Local區(qū)邊界節(jié)點坐標、邊界載荷、細節(jié)模型、手動輸入 載荷點信息、載荷點分支連接信息，采用邊界載荷點自動連接技術(shù)、邊界載荷點分支連接技 術(shù)生成邊界加載點與細節(jié)模型的連接關(guān)系，并按指定有限元求解器所需文件格式生成邊界 加載點連接、載荷卡并與步驟G所生成的分析文件合并生成最終細節(jié)計算分析文件； I完成細節(jié)分析求解計算：調(diào)用選定有限元求解器完成細節(jié)分析計算，獲得細節(jié)分析 結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，A 所述的總體模型是指：包含全機或整個部件結(jié)構(gòu)的采用較大尺寸單元的粗網(wǎng)格進行結(jié)構(gòu)網(wǎng) 格離散建立的有限元模型； A所述的細節(jié)模型是指：針對總體模型中局部范圍的模型，將考慮結(jié)構(gòu)的真實連接關(guān) 系因素、采用較小尺寸單元建立有限元網(wǎng)格。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，B 所述的Local區(qū)是指：與后續(xù)單獨進行細節(jié)分析的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的總體模型Global的特定區(qū) 域，Local區(qū)應(yīng)是考核區(qū)域加上過渡區(qū)； B所述的過渡區(qū)是指：在Local區(qū)選取時應(yīng)擴大的一定范圍，過渡區(qū)的范圍一般為總體 模型網(wǎng)格尺寸的1.5?2倍。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，C 所述的邊界節(jié)點是指：Local區(qū)與Global邊界界面以及Local區(qū)承受外載的節(jié)點； C所述的邊界單元是指：Local區(qū)中與邊界節(jié)點相連的所有單元。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，E 所述的細節(jié)模型邊界載荷是指：Local區(qū)邊界節(jié)點上Global區(qū)對Local區(qū)的作用的結(jié)構(gòu)內(nèi) 力，以及Local區(qū)內(nèi)所受外載。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，F(xiàn) 所述的細節(jié)模型是指：考慮結(jié)構(gòu)的具體形式、分析問題類型因素，建立的有限元網(wǎng)格模型。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于力法的Global-Local細節(jié)有限元分析方法，其特征是，Η 所述的手動輸入載荷點是指：在細節(jié)模型邊界載荷中需要在Η步中手動施加的載荷，手動 輸入載荷點將不在自動連接時進行連接，也不形成載荷卡，該點載荷已在步驟G中按分析 所需形式，手動定義施加到細節(jié)模型上； Η所述的載荷點分支連接信息是指：邊界載荷點采用分支連接時的加載點的分支點數(shù) 及分支點坐標信息； Η所述的自動連接技術(shù)是指：根據(jù)加載點坐標、細節(jié)模型節(jié)點坐標自動完成邊界載荷 點與細節(jié)模型節(jié)點連接的技術(shù)； Η所述的分支加載技術(shù)是指：根據(jù)結(jié)構(gòu)的真實連接情況，人為指定邊界載荷點分支到 多點與細節(jié)模型相連，以增加邊界載荷施加的真實性。
【文檔編號】G06F17/50GK104123400SQ201310145236
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】王凡, 葉建飛 申請人:成都飛機設(shè)計研究所