一種梁板復(fù)合式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格快速生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種梁板復(fù)合式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格快速生成方法，屬于航天器結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]目前衛(wèi)星結(jié)構(gòu)多采用蜂窩夾層板承受和傳遞力學(xué)載荷，并為儀器設(shè)備提供安裝支撐。隨著設(shè)計(jì)方法和制造工藝的進(jìn)步，一些衛(wèi)星平臺(tái)開始采用梁板復(fù)合式結(jié)構(gòu)作為主承力形式，其中梁為高模量碳纖維纏繞的矩形或工字梁，預(yù)埋于衛(wèi)星主隔板內(nèi)部，起主要的承力作用；板為碳纖維蒙皮鋁蜂窩板，起輔助支撐作用。為了驗(yàn)證衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否滿足要求，工程中一般采用有限元方法對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的幾何模型一般采用三維實(shí)體進(jìn)行建模，但有限元建模時(shí)一般分別采用梁?jiǎn)卧桶鍤卧獙?duì)梁和蜂窩夾層板進(jìn)行力學(xué)模擬，因此如果直接由三維實(shí)體抽取中面后劃分有限元網(wǎng)格，則一方面梁?jiǎn)卧茈y通過實(shí)體幾何抽象得到，另一方面相鄰面之間的間隙會(huì)導(dǎo)致有限元網(wǎng)格的不連續(xù)。工程中希望能生成梁板共用節(jié)點(diǎn)的有限元網(wǎng)格，且板與板之間亦共用節(jié)點(diǎn)，從而無需額外引入剛性連接單元。梁板復(fù)合式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格快速生成的主要難點(diǎn)是:梁?jiǎn)卧茈y通過三維實(shí)體幾何抽象得到，并且從三維實(shí)體幾何模型提取中面后得到的幾何模型中，相鄰面之間存在著間隙，從而無法直接生成連續(xù)的共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格。為了實(shí)現(xiàn)共節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格的劃分，需要?jiǎng)?chuàng)建用于模擬梁的線，并且對(duì)中面進(jìn)行延伸或裁剪，以消除面與面之間的間隙或多余的部分。由于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中一般有幾十塊蜂窩板，因此只依靠商業(yè)有限元軟件自身的幾何處理功能并通過人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格的生成將需要較高的技巧、大量的時(shí)間和煩瑣的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]1、目的:為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)有限元模型的高效生成，本發(fā)明的目的是提供一種梁板復(fù)合式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格快速生成方法，該方法首先利用有限元軟件的中面提取功能得到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板的中面幾何模型，然后通過遍歷獲取需要進(jìn)行處理的面對(duì)，其次對(duì)每組面對(duì)依次進(jìn)行自動(dòng)處理而獲得整個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的二維幾何模型，再次創(chuàng)建用于模擬梁的線并將其結(jié)合至所在的曲面，再次利用有限元軟件的幾何縫合功能實(shí)現(xiàn)將衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的幾何模型縫合為一個(gè)整體。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，得到基于板殼單元的共節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格。最后利用節(jié)點(diǎn)信息依次創(chuàng)建梁?jiǎn)卧?，從而得到整星的梁板共?jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格。由于本方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理，因此避免了大量的人機(jī)交互操作，需要的時(shí)間少，通用性強(qiáng)，適用范圍廣泛。
[0004]2、技術(shù)方案:本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]本發(fā)明一種梁板復(fù)合式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格快速生成方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0006]步驟1:對(duì)導(dǎo)入有限元建模軟件的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)幾何模型提取中面；
[0007]步驟2:獲取需要處理的中面集合及其元素?cái)?shù)目N:
[0008]步驟3:對(duì)所有的面對(duì)(A，B)進(jìn)行以下操作:
[0009]步驟3.1:計(jì)算A和B的法向量之間的夾角Θαβ;
[0010]步驟3.2:若10°<9冊(cè)<170°，則執(zhí)行步驟3.3至3.10;
[0011]步驟3.3:找出A中所有需要向B延伸的邊及其數(shù)目Na;
[0012]步驟3.4:若Να>0，則執(zhí)行步驟3.5至3.6;否則執(zhí)行步驟3.7至3.10 ；
[0013]步驟3.5:計(jì)算A中的邊需要向B延伸的長(zhǎng)度δΑ;
[0014]步驟3.6:將A中所有需要向B延伸的邊延伸δΑ;
[0015]步驟3.7:找出B中所有需要向A延伸的邊及其數(shù)目Nb;
[0016]步驟3.8:若Νβ>0，則執(zhí)行步驟3.7;否則執(zhí)行步驟3.9;
[0017]步驟3.9:計(jì)算B中的邊需要向A延伸的長(zhǎng)度δΒ;
[0018]步驟3.10:將B中所有需要向A延伸的邊延伸δΒ;
[0019]步驟3.11:利用B分割A(yù);
[0020]步驟3.12:刪除A中面積較小的面；
[0021]步驟3.13:利用A分割B;
[0022]步驟3.14:刪除B中面積較小的面；
[0023]步驟4:根據(jù)梁的幾何信息在其所在的面上創(chuàng)建與其中心線平行的模擬線；
[0024]步驟5:將梁的模擬線結(jié)合至其所在的面；
[0025]步驟6:對(duì)所有的面進(jìn)行縫合；
[0026]步驟7:對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何模型劃分二維有限元網(wǎng)格；
[0027]步驟8:根據(jù)梁的幾何信息依次選擇其模擬線上的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一維單元；
[0028]其中，在步驟I中所述的“對(duì)導(dǎo)入有限元建模軟件的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)幾何模型提取中面”的方法為:現(xiàn)有的有限元軟件一般都支持薄壁零件的中面提取功能，并且衛(wèi)星蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)一般都是厚度均勻的，因此直接通過有限元軟件的用戶界面選擇衛(wèi)星模型中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板的幾何模型進(jìn)行中面提取即可得到相應(yīng)的中面幾何模型；
[0029]其中，在步驟2中所述的“獲取需要處理的中面集合及其元素?cái)?shù)目N”的方法為:現(xiàn)有的有限元軟件一般都提供二次開發(fā)接口使得用戶可以開發(fā)新的功能，因此可以利用相關(guān)的函數(shù)接口通過二次開發(fā)得到模型中所有中面所組成的集合以及其元素?cái)?shù)目；獲取中面集合所需要的二次開發(fā)接口函數(shù)可以通過查詢有限元軟件的相關(guān)幫助文檔得到；
[0030]其中，在步驟3.1中所述的“計(jì)算A和B的法向量之間的夾角ΘΑΒ”的方法為:假設(shè)A和B的單位法向量分別為ΠΑ = (ΠΑχ，ΠΑγ，ΠΑζ )和Γ1Β = (ΠΒχ，?ΙΒγ，ΠΒζ )，則它們之間夾角的余弦值為COS0AB = nAxnBx+nAynBy+nAznBz，從而利用初等代數(shù)中的反三角函數(shù)可以得到兩個(gè)向量之間夾角為0AB = arccos (nAxnBx+nAynBy+nAZnBZ)；
[0031 ]其中，在步驟3.3中所述的“找出A中所有需要向B延伸的邊及其數(shù)目Na”的方法為:現(xiàn)有的有限元軟件一般都提供二次開發(fā)接口使得用戶可以開發(fā)新的功能，因此可以利用相關(guān)的函數(shù)接口通過二次開發(fā)并按照以下方法實(shí)現(xiàn):I)獲取A所有的邊Em ,..., EA4PB的一個(gè)頂點(diǎn)Vb ; 2)對(duì)每條邊EAj (j = I，…，η)，假設(shè)其自然坐標(biāo)表示為Pj (s) (O < s < I)，均勻地獲取Nj+ 1個(gè)點(diǎn)卩』1< = ?』(1^^)仏=0，1廠"九)，其中％2 1000;3)取(1繼=-999999，(1 = 0，然后按照初等解析幾何中的公式djk = ΠΒχ (Xjk-XB) +nBy (y jk-yB) +πβζ (z jk_ZB)依次計(jì)算每個(gè)點(diǎn)Pjk至IjB的有向距離，若I djk I > dmax，貝丨Jdmax= djk，d = djk ;其中(Xjk，yjk，Zjk )為Pjk在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(XB，yB，ZB)為Vb的坐標(biāo)，(ΠΒχ，My，ΠΒζ)為B的單位法向量;4)取abd = 999999，對(duì)每個(gè)點(diǎn)Pjk，若d.djk>O且 I djk I <abd，則abd= | djk | ; 5)若abd<0.04，
[0032]則5max= abd+0.01;否則5max=0.05；6)Na=0,對(duì)每條邊EAj:若對(duì)k = 0，I，…，Nj均有djk I < Smax，則EAj標(biāo)記為I，Na=Na+1 ；否則EAj標(biāo)記為O;在本步驟中獲取A所有的邊和B的頂點(diǎn)均可以通過軟件的接口實(shí)現(xiàn)，并且在有限元軟件中邊或曲線一般會(huì)采用自然坐標(biāo)進(jìn)行表示，給定其自然坐標(biāo)后可以通過接口得到其在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示;本步驟中所需要的二次開發(fā)接口函數(shù)可以通過查詢有限元軟件的相關(guān)幫助文檔得到；
[0033]其中，在步驟3.5中所述的“計(jì)算A中的邊需要向B延伸的長(zhǎng)度δΑ”的方法為:δΑ =δ./??ηθΑΒ，其中的值已經(jīng)在步驟3.3中得到，ΘΑΒ的值已經(jīng)在步驟3.1中得到；
[0034]其中，在步驟3.6中所述的“將A中所有需要向B延伸的邊延伸δΑ”的方法為:現(xiàn)有的有限元軟件一般都提供二次開發(fā)接口使得用戶可以開發(fā)新的功能，因此可以利用相關(guān)的函數(shù)接口通過二次開發(fā)將A中所有需要向B延伸的邊延伸δΑ。對(duì)一個(gè)面中的若干條邊進(jìn)行延伸所需要的二次開發(fā)接口函數(shù)可以通過查詢有限元軟件的相關(guān)幫助文檔得到；
[0035]其中，在步驟3.7中所述的“找出B中所有需要向A延伸的邊及其數(shù)目Nb”的方法為:現(xiàn)有的有限元軟件一般都提供二次開發(fā)接口使得用戶可以開發(fā)新的功能，因此可以利用相關(guān)的函數(shù)接口通過二次開發(fā)并按照以下方法實(shí)現(xiàn):I)獲取B所有的邊Eb1 ,..., ΕΒ4ΡΑ的一個(gè)頂點(diǎn)Va ; 2)對(duì)每條邊EBj (j = I，…，η)假設(shè)其自然坐標(biāo)表示為Pj (s)(0<s<l),均勻地獲取Nj+1個(gè)點(diǎn)卩』1< = ?』(1^^)(1^ = 0，1廠"九，)其中化2 1000;3)取(1題=-999999，(1 = 0，然后按照初等解析幾何中的公式如=1^^1<1)+1^(7』10^)+1^(2」1{-2八)依次計(jì)算每個(gè)點(diǎn)？』1^_勺有向距離，若I djk I > dmax，貝丨Jdmax= djk，d = djk ;其中(Xjk，yjk，Zjk )為Pjk在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(XA，yA，ZA)為Va的坐標(biāo)，(nAx，nAy，ΠΑζ)為A的單位法向量;4)取abd = 999999，對(duì)每個(gè)點(diǎn)Pjk，若d.djk>O且 I djk I <abd，則abd= | djk | ; 5)若abd<0.04，
[0036]則δ繼=abd+0.0I;否則 δ繼= 0.05；6)Νβ = 0,對(duì)每條邊 Eb j:若對(duì)k = I，…，N均有 | d jk
<，則