本發(fā)明涉及一種有限元自動(dòng)化建模方法，特別是一種基于衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的有限元自動(dòng)化建模方法，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

航天器的設(shè)計(jì)廣泛采用有限元分析技術(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)特性的分析。航天器有限元分析過程總體分為三步：前處理、有限元計(jì)算、后處理。當(dāng)前有限元計(jì)算和后處理技術(shù)發(fā)展較好，而以有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分為主要特征有限元建模技術(shù)卻很薄弱，完整的有限元分析過程中，建模的耗費(fèi)約占50％的時(shí)間，對分析人員而言，有限元建模不僅需要具備多學(xué)科的知識，而且需要具備對實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行分析知識和經(jīng)驗(yàn)。發(fā)展基于cad三維設(shè)計(jì)模型的有限元自動(dòng)建模技術(shù)，才能充分發(fā)揮有限元分析技術(shù)在航天器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。具體來講以基于cad三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行有限元自動(dòng)建模的優(yōu)勢如下：

1)可充分利用已完成的航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，提高有限元建模的效率

2)實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的航天器結(jié)構(gòu)建模及分析

3)實(shí)現(xiàn)cad/cae一體化融合以及各個(gè)模塊兒的優(yōu)勢互補(bǔ)

4)避免重復(fù)性的有限元建模、縮短航天器研發(fā)周期

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，為克服有限元分析過程中，建模效率低，建模流程不規(guī)范、知識集成和自動(dòng)化水平低等缺陷，針對衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提供了一種有限元分析前處理工作的自動(dòng)化建模方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的有限元自動(dòng)化建模方法，包括如下步驟：

(1)模型導(dǎo)入；

自動(dòng)建模系統(tǒng)是針對已經(jīng)處理好的三維設(shè)計(jì)模型，用戶首先建立模型映射信息文件并將其放在工作路徑之中；之后啟動(dòng)patran軟件，指定已設(shè)置好的工作路徑，文件名稱；最后輸入所要分析的三維設(shè)計(jì)模型的位置及名稱。提交這些信息之后系統(tǒng)會自動(dòng)完成模型導(dǎo)入工作。

所述的自動(dòng)建模系統(tǒng)是針對衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以國內(nèi)航天領(lǐng)域的主流有限元建模軟件msc.patran為平臺，采用pcl(patrancommandlanguage)語言編程開發(fā)的有限元自動(dòng)建模程序，該系統(tǒng)已經(jīng)被整合到了msc.patran軟件之中。

所述的三維設(shè)計(jì)模型是指采用catia、ug、pro/e、solidworks等三維建模軟件所設(shè)計(jì)好的三維cad數(shù)字模型。

所述的模型映射信息文件是指用戶根據(jù)所要分析的產(chǎn)品給出的一個(gè)文本文件，該文件包含了產(chǎn)品各個(gè)零件名稱、材料類型、厚度、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量等信息以及這些信息之間的相互映射關(guān)系。

(2)模型編輯；

因?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)大部分都是板殼結(jié)構(gòu)，所以對于3d模型需要轉(zhuǎn)化為2d模型。模型編輯包括抽取中面和模型質(zhì)量檢查。

所述的抽取中面是指在3d模型基礎(chǔ)上，通過程序自動(dòng)抽取模型的中面，消除模型厚度，進(jìn)而生成保留了原來連接/裝配信息的2d模型。模型質(zhì)量檢查是對于生成的2d模型進(jìn)行檢查確認(rèn)，修復(fù)存在的幾何缺陷。

(3)網(wǎng)格劃分；

在2d模型基礎(chǔ)上，首先設(shè)置網(wǎng)格類型以及網(wǎng)格大小控制參數(shù)，提交之后系統(tǒng)會自動(dòng)完成2d網(wǎng)格劃分。

(4)材料/單元屬性設(shè)置

根據(jù)模型映射信息文件中的材料類型信息，程序自動(dòng)完成相應(yīng)的材料模型建立；之后根據(jù)文件中的厚度、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及零件名稱的相互映射信息，程序會自行完成單元屬性設(shè)置以及單元屬性的賦予工作。

所述的材料模型建立，是指程序根據(jù)提供的材料類型調(diào)用之前開發(fā)系統(tǒng)時(shí)所預(yù)先設(shè)定好的常用材料模型庫中材料模型，這些材料模型已經(jīng)預(yù)先指定了相應(yīng)的材料參數(shù)值，用戶只需根據(jù)需要稍加修改即可。

所述的單元屬性設(shè)置，是指建立相應(yīng)的單元類型名稱，指定相應(yīng)的材料模型，設(shè)置單元厚度，指定非結(jié)構(gòu)質(zhì)量等一系列操縱。

所述的單元屬性賦予，是指將設(shè)定好的單元類型按照映射信息指定給對應(yīng)的零件模型。

(5)載荷/邊界/初始條件設(shè)置。

這部分工作根據(jù)分析問題的類型不同會有不同的情況，比如，靜力學(xué)分析需要進(jìn)行載荷設(shè)置；碰撞問題分析需要進(jìn)行邊界/初始條件設(shè)置；自由模態(tài)分析就不需要進(jìn)行載荷/邊界/初始條件設(shè)置。

(6)提交分析計(jì)算

完成有限元建模前處理工作之后，就可以根據(jù)分析類型調(diào)用相應(yīng)的nastran求解器進(jìn)行分析計(jì)算。

所述的步驟(1)到步驟(6)可以在用戶監(jiān)督之下，由程序一鍵式地自動(dòng)完成；也可以在系統(tǒng)的提示下以人機(jī)交互的方式逐步進(jìn)行，這時(shí)用戶只需要根據(jù)提示完成一些簡單的信息輸入和確認(rèn)，其他繁雜的工作將交由程序自動(dòng)完成。

本發(fā)明是一種有限元自動(dòng)化建模方法，解決了有限元分析過程中，建模效率低，建模流程不規(guī)范等問題，提高了有限元建模過程知識集成和自動(dòng)化的水平，對于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能，減少重復(fù)性工作解放人的精力具有重要的意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作流程圖

圖2是自動(dòng)建模系統(tǒng)集成菜單

圖3是板殼箱式結(jié)構(gòu)pro/e模型

圖4是2d板殼結(jié)構(gòu)模型

圖5是網(wǎng)格模型

圖6是材料模型設(shè)置

圖7是單元屬性設(shè)置

圖8是計(jì)算結(jié)果輸出

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的一種基于衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的有限元自動(dòng)化建模方法做出詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的有限元自動(dòng)化建模方法，其具體包括如下步驟：

(1)模型導(dǎo)入；

用戶首先建立模型映射信息文件并將其放在工作路徑之中；之后啟動(dòng)patran軟件，指定已設(shè)置好的工作路徑，文件名稱；最后輸入所要分析的三維設(shè)計(jì)模型的位置及名稱。提交這些信息之后系統(tǒng)會自動(dòng)完成模型導(dǎo)入工作。

所述的自動(dòng)建模系統(tǒng)是針對衛(wèi)星板殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以國內(nèi)航天領(lǐng)域的主流有限元建模軟件msc.patran為平臺，采用pcl(patrancommandlanguage)語言編程開發(fā)的有限元自動(dòng)建模程序，該系統(tǒng)已經(jīng)被整合到了msc.patran軟件之中，如圖2展示的系統(tǒng)的集成菜單。

所述的三維設(shè)計(jì)模型是指采用catia、ug、pro/e、solidworks等三維建模軟件所設(shè)計(jì)好的三維cad數(shù)字模型，這里采用pro/e建立了一個(gè)簡單的板殼箱式結(jié)構(gòu)來代替實(shí)際的衛(wèi)星模型，如圖3所示。

所述的模型映射信息文件是指用戶根據(jù)所要分析的產(chǎn)品給出的一個(gè)文本文件，該文件包含了產(chǎn)品各個(gè)零件名稱、材料類型、厚度、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量等信息以及這些信息之間的相互映射關(guān)系，如圖4所示。

(2)模型編輯；

因?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)大部分都是板殼結(jié)構(gòu)，所以對于3d模型需要轉(zhuǎn)化為2d模型。模型編輯包括抽取中面和模型質(zhì)量檢查。

所述的抽取中面是指在3d模型基礎(chǔ)上，通過程序自動(dòng)抽取模型的中面，消除模型厚度，進(jìn)而生成保留了原來連接/裝配信息的2d模型。模型質(zhì)量檢查是對于生成的2d模型進(jìn)行檢查確認(rèn)，修復(fù)存在的幾何缺陷。圖4表示的是模型導(dǎo)入patran抽取中面后得到的2d結(jié)構(gòu)模型。

(3)網(wǎng)格劃分；

在2d模型基礎(chǔ)上，首先設(shè)置網(wǎng)格類型以及網(wǎng)格大小控制參數(shù)，提交之后系統(tǒng)會自動(dòng)完成2d網(wǎng)格劃分。圖5表示在2d模型基礎(chǔ)上劃分完網(wǎng)格的網(wǎng)格模型。

(4)材料/單元屬性設(shè)置

根據(jù)模型映射信息文件中的材料類型信息，程序自動(dòng)完成相應(yīng)的材料模型建立；之后根據(jù)文件中的厚度、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及零件名稱的相互映射信息，程序會自行完成單元屬性設(shè)置以及單元屬性的賦予工作。

所述的材料模型建立，是指程序根據(jù)提供的材料類型調(diào)用之前開發(fā)系統(tǒng)時(shí)所預(yù)先設(shè)定好的常用材料模型庫中材料模型，這些材料模型已經(jīng)預(yù)先指定了相應(yīng)的材料參數(shù)值，用戶只需根據(jù)需要稍加修改即可。

所述的單元屬性設(shè)置，是指建立相應(yīng)的單元類型名稱，指定相應(yīng)的材料模型，設(shè)置單元厚度，指定非結(jié)構(gòu)質(zhì)量等一系列操縱。

所述的單元屬性賦予，是指將設(shè)定好的單元類型按照映射信息指定給對應(yīng)的零件模型。

在本例中我們建立有兩種類型的材料模型：aluminum和steel，如圖6所示。根據(jù)材料類型、板殼厚度以及非結(jié)構(gòu)質(zhì)量信息，一共設(shè)置了4種單元屬性，如圖7所示。

(5)載荷/邊界/初始條件設(shè)置。

這部分工作根據(jù)分析問題的類型不同會有不同的情況，比如，靜力學(xué)分析需要進(jìn)行載荷設(shè)置；碰撞問題分析需要進(jìn)行邊界/初始條件設(shè)置；自由模態(tài)分析就不需要進(jìn)行載荷/邊界/初始條件設(shè)置。這一步驟需要人工根據(jù)需要添加，為了簡單起見本例選擇自由模態(tài)分析，這里不再做載荷/邊界/初始條件設(shè)置。

(6)提交分析計(jì)算

完成有限元建模前處理工作之后，就可以根據(jù)分析類型調(diào)用相應(yīng)的nastran求解器進(jìn)行分析計(jì)算。圖8給出了模型一階自由模態(tài)的分析結(jié)果。