[发明专利]一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法

摘要

本发明提出了一种对三角形网格加筋圆筒结构进行自动参数化有限元建模的方法。本发明建立了三角形网格加筋圆筒结构的参数化建模方法，并用MSC.PCL语言编程实现，建模参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w等共计7个，在满足合理组合的前提下，上述7个参数的任意组合都可以快速建立有限元分析模型，经实测在日常微机上建模时间约5秒。本方法具有建模自动化水平高、速度快、单元质量好，分析精度高的优点，配合优化设计软件，比如Isight，可以实现三角形网格加筋结构的高精度、快速优化分析。

主权项

一种三角形网格加筋圆筒结构有限元参数化建模方法，其特征在于步骤为：第一步，根据给定的结构设计参数计算建模所需的结构特征参数，特征参数包括三角形加筋网格的高度H′、三角形加筋网格的层数m、上下端网格高度Hb；计算方法如下：三角形加筋网格的高度H′：H′=π(R-0.5t)ntan(θ)---(1)]]>上下端网格高度Hb：Hb＝(H‑H′·m)/2                   (2)所述的结构设计参数包括圆筒的高度H、外半径R、蒙皮厚度t、周向网格数目n、筋条交叉角度θ、筋条高度h、宽度w；第二步，建立平面单胞网格单元；在完整网格区，每个三角形网格为一个单胞，包括正置和倒置两种；在圆筒上下端，不足一层网格部分，建立一个三角形单元单胞和一个梯形单元单胞；加强筋用梁单元模拟，共有8个单胞梁单元；第三步，阵列单胞单元形成圆筒的平面展开模型；通过两次阵列实现，第一次将两个完整三角形单胞单元和相应梁单元阵列m‑1次，形成一个斜长条，第二次将这个长条整体阵列n‑1次形成完整展开模型；第四步，对第三步得到的平面展开模型有限元网格进行细化，将每个三角形单元剖分为12个四边形单元，每个梯形单元剖分为16个四边形单元，每个梁单元剖分为4个梁单元；其中每个梁单元等分为4个梁单元，每个梯形单元剖分为4×4总计16个四边形单元，三角形单元首先剖分为3个四边形单元，然后每个四边形单元再剖分为2×2个四边形单元，总计每个三角形单元剖分为12个四边形单元；第五步将平面模型卷起为圆筒，方法为：1)建立节点坐标偏移函数；偏移函数的作用计算从节点二维展开坐标和圆筒坐标的偏移量，为空间向量函数；以平面网格位于“X‑Y”平面，其中X方向为圆筒展开方向，Y方向为圆筒高度方向，坐标原点位于展开图左下角，“卷起”后的圆筒高度方向不变，其平面网格“卷起”的节点坐标偏移函数为：(R-0.5t-Z)sin(±X/R+θ)-X0(R-0.5t-Z)cos(±X/R+θ)-Z···(3)]]>其中：R，圆筒外半径；t，蒙皮厚度sin()，弧度制正弦函数；cos()，弧度制余弦函数；θ，坐标原点“卷起”前后的连线与Z坐标轴的夹角，弧度制，以顺时针方向为正；X、Y、Z，节点坐标自变量；以平面网格按顺时针“卷起”时三角函数内的符号为正，反之则为负；2)按第一步所确定的偏移函数，通过移动节点坐标，将平面网格“卷起”为圆筒；3)消除圆筒对接线上的重复节点，应用MSC.Patran软件中“Equivalence”功能实现；第六步，建立材料和单元属性，其中蒙皮厚度、梁单元的高度和宽度均设为上文提到的蒙皮厚度t、周筋条高度h、宽度w可变参数的值；当蒙皮于中面建模时，筋条偏置量为h+0.5t，方向为径向向内；梁单元拉伸为壳单元建模，此时壳单元的宽度为h+0.5t，厚度为w；第七步，建立载荷和边界条件；将上述步骤编成参数化建模脚本程序即可实现三角形网格加筋圆筒结构参数化建模。