CN103177153B

CN103177153B - 一种有限元温度场结果的映射方法

Info

Publication number: CN103177153B
Application number: CN201310029889.1A
Authority: CN
Inventors: 罗文波; 曾福明; 高峰; 钱志英; 刘国青; 王晓宇
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: CN103177153A

Abstract

一种有限元温度场结果的映射方法，(1)利用IDEAS软件求解待分析对象映射源模型的温度场，获得包含模型信息的INPF文件和包含节点温度信息的tmgtempn.unv文件；所述的模型信息包括单元信息和节点坐标；(2)从INPF文件中提取模型信息，从tmgtempn.unv文件中提取节点的温度信息，利用提取的信息生成bdf格式的NASTRAN模型；(3)将上述生成的NASTRAN模型导入PATRAN软件中；(4)在PATRAN软件中，将导入的NASTRAN模型的温度场映射到PATRAN软件中的目标模型上，实现从IDEAS模型计算的温度场到PATRAN模型温度场的映射。

Description

一种有限元温度场结果的映射方法

技术领域

本发明涉及有限元温度场分析结果在不同模型之间的映射，特别适用于由IDEAS模型的温度场结果映射到PATRAN模型的温度场。

背景技术

卫星在轨热变形计算一般要经过两个步骤：

1)在轨温度场计算

2)以温度场作为载荷计算结构热变形

目前的商业软件中已有多个产品可以实现上述功能：

1)I-DEAS、UGNX和FEMAP

I-DEAS、UGNX和FEMAP均为SIEMENS公司的产品，I-DEAS和UGNX以TMG模块计算卫星在轨温度场，然后用结构分析模块计算相应温度场下的结构变形。

2)PATRAN

PATRAN是MSC公司的产品，以SINDA/G模块计算卫星在轨温度场，然后用NASTRAN计算相应温度场下的结构变形。

如果热分析模型和结构分析模型是同一模型的话，上述两个系列的产品都能够非常容易的计算卫星的在轨热变形。但是，如果热分析模型和结构分析模型不同，则需要一个温度场的映射过程(即maping过程)，I-DEAS、UGNX和PATRAN都具有温度场的映射功能，但前提是两个模型是同一环境下建模。当两个模型由不同软件建模时，I-DEAS软件的温度场计算结果尚没有方便直接的方法可以实现到PATRAN模型的温度场映射。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，实现温度场在不同有限元模型之间的映射。具体而言，本发明实现了从IDEAS模型计算的温度场到PATRAN模型温度场的映射，为温度场在不同模型之间进行映射提供了一种新方法。

本发明的技术解决方案是：一种有限元温度场结果的映射方法，步骤如下：

(1)利用IDEAS软件求解待分析对象映射源模型的温度场，获得包含模型信息的INPF文件和包含节点温度信息的tmgtempn.unv文件；所述的模型信息包括单元信息和节点坐标；

(2)从INPF文件中提取模型信息，从tmgtempn.unv文件中提取节点的温度信息，利用提取的信息生成bdf格式形式的NASTRAN模型；

(3)将上述生成的NASTRAN模型导入PATRAN软件中；

(4)在PATRAN软件中，将导入的NASTRAN模型的温度场映射到PATRAN软件的目标模型上，实现从IDEAS模型计算的温度场到PATRAN模型温度场的映射。

所述步骤(2)的具体实现步骤如下：

(2.1)从INPF文件中提取节点坐标：搜索INPF文件，当第一次搜索到连续的只有第一列为-1的两行时，则依次提取每行的数据，直至出现第一列只有-1的行结束；提取每行的第一个数据填充在NASTRAN模型节点信息的节点编号位置，每行的后三个数据依次作为该节点编号下的X、Y、Z坐标填充在NASTRAN模型节点信息的相应位置；

(2.2)从INPF文件中提取单元信息：搜索INPF文件，搜索到SURFACE关键字时，将该关键字前第一个数据填充到NASTRAN模型单元信息的单元编号位置，将该关键字后第三个数据填充到NASTRAN模型单元信息的属性编号位置，该关键字对应行中第三个数据之后的数据作为该单元的节点编号填充到NASTRAN模型单元信息的相应节点编号位置；

(2.3)根据INPF文件，生成单元特性信息和单元类型信息，单元特性的数量和INPF文件中的数量一致，单元特性中引用的材料特性可任意定义为NASTRAN认可的各向同性材料；单元的类型根据SURFACE关键字后的节点数目确定，具体而言就是，2个节点对应CROD单元，三个节点对应CTRIA3，四个节点对应CQUAD4单元。

(2.4)从tmgtempn.unv文件中提取节点编号及该编号对应的温度值，将其转换为NASTRAN的温度载荷信息；完成bdf格式的NASTRAN模型的建立。

当IDEAS中的映射源模型与PATRAN中的目标模型单位制不同时，在步骤(2.1)前需要进行坐标变换和比例缩放，以实现单位转换和空间平移。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1)利用本发明，可以在脱离IDEAS软件环境的条件下，实现对IDEAS温度场结果的处理。

2)可以对不同软件环境下的模型进行温度场映射。

3)对导入的不同单元特性赋予不同的NASTRAN单元特性，保证了模型在导入PATRAN后可以通过对不同单元特性分组的方法生成不同的组，这有利于对导入模型的进一步处理。

4)可以对导入模型的坐标进行比例缩放，使得两个模型的单位即使不一致，仍然可以进行映射。

5)可以在一个模型中同时导入多个工况，直接生成映射温度场。

6)目前该项技术已应用于某发动机支架和某天线的在轨热变形分析，获得了良好的生产科研效益。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明某发动机支架IDEAS源模型示意图；

图3为本发明某发动机支架待映射温度场的PATRAN目标模型示意图；

图4为本发明建立连续场的界面示意图；

图5为本发明切换到要映射温度场的目标模型所在组示意图；

图6、7分别为源模型温度场和映射后的目标模型温度场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，具体步骤如下：

本发明的具体操作步骤如下：

1)IDEAS模型转换为NASTRAN模型首先需要IDEAS求解温度场的两个结果文件：

a)INPF：包含模型信息(单元信息和节点坐标)

b)tmgtempn.unv：包含节点温度信息

2)NASTRAN模型节点信息生成

提取节点信息需要INPF文件。INPF文件的文件头包含了一些求解的参数和一些注释信息，这些信息和提取无关，如果第一次出现连续的只有第一列为-1的两行，则接下来的数据行即为节点编号和坐标值，每一行由如下格式构成：

节点编号X坐标Y坐标Z坐标

各项之间用空格隔开，不同版本的各项位置略有不同，但均是用空格隔开的自由格式。各行之间连续，无空行和其它信息，当出现在第一列只有-1的行时，坐标信息结束。由INPF的坐标信息生成为如下短格式的NASTRAN节点信息(注意各个字域用竖线隔开，前面两行为字域位置标识，不是正式修改内容，下同)：

如果IDEAS软件中的模型和要映射的PATRAN中的目标模型单位制不同，或者空间位置不同，需要缩放和平移，则进行格式转换前，首先要进行坐标的变换，变换关系如下：

a)先平移后缩放：

新坐标＝(旧坐标+旧坐标平移分量)×缩放系数

b)先缩放后平移：

新坐标＝旧坐标×缩放系数+新坐标平移分量

3)NASTRAN模型单元信息生成

在节点信息之后，跟着的就是单元信息，单元信息前，一般有加了注释的ELEMENTS关键字，单元信息每行第二个关键字为SURFACE，各行的具体形式有三种，分别表示四边形单元，三角形单元和一维的杆单元。其中：

四边形单元的格式如下：

单元编号SURFACE材料编号0.0属性编号节点编号1节点编号2节点编号3节点编号4

三角形单元的格式如下：

单元编号SURFACE材料编号0.0属性编号节点编号1节点编号2节点编号3

杆单元的格式如下：

单元编号SURFACE材料编号0.0属性编号节点编号1节点编号2

其中的属性编号是首字符为P，后面为一数字的字符串，转换到NASTRAN模型的属性编号时，去掉前面的P，取后面的整数值。

各种单元转换的规则如下：

四边形转换为：

三角形转换为：

杆单元转换为：

4)NASTRAN模型材料和单元特性信息生成

根据INPF文件中的单元信息，生成单元特性信息。需要说明的是，温度场映射并不需要材料和单元特性，但根据源模型生成单元特性后，在PATRAN中可以通过根据单元特性生成组的部分以方便后续处理。

在新生成的NASTRAN模型中，增加材料特性如下：

其中弹性模量和泊松比可随意指定。

生成的板单元特性的语句如下：

生成杆单元特性的语句如下：

其中的属性编号和原来INPF文件中的属性编号一致，材料编号和新增加的材料特性编号一致。PSHELL单元的厚度和PROD单元的截面积均可任意指定。

5)NASTRAN模型温度载荷信息生成

温度信息存于tmgtempn.unv文件中，“NODE TEMPERATURES”字段后的数值为温度场对应的时刻，从该行后面跳过9行，即为该时刻各节点及其温度数据，如果有多个时刻，则有多个类似的数据段。每条温度信息由两行组成，第一行为节点编号，第二行为温度值。

将上面的节点编号和温度值，转换为NASTRAN的温度载荷信息，转换后的格式如下：

其中，节点编号和tmgtempn.unv中的节点编号一致，载荷编号可定义为取整后的时刻值，以区分不同时刻的温度数据，但0时刻对应的载荷编号必须取为非零正整数。

上述步骤完成后既生成bdf格式的NASTRAN模型。

6)完成上面模型转换和温度场建立后，启动PATRAN，导入前面生成的NASTRAN模型。此时在PATRAN中已存在施加在映射源模型上的温度场。绘制导入有限元模型上的温度云图，在温度云图没有关闭的前提下，建立一个连续的场。切换到要映射温度场的目标模型所在组，以刚生成的场在目标组上施加温度载荷。至此，完成不同模型之间温度场的映射。

目前该项技术已应用于某发动机支架和某天线的在轨热变形分析。在某发动机支架的热变形分析中，获得了发动机安装部位的热变形，得到了在轨热变形情况下的发动机推力指向变化；在某天线的在轨热变形过程中，发现了馈源阵底座夹块附近因材料热膨胀系数不匹配而出现的严重热应力，指导设计进行了满足强度设计的修改，获得了良好的生产科研效益。

实施例：

本例中待分析对象为某发动机支架，IDEAS源模型如图2所示，待映射温度场的PATRAN目标模型如图3所示。映射过程如下：

1)从INPF文件中提取节点信息。第一次出现连续的两行第一列为-1的两行，其部分内容如下：

因为两个模型单位制不同，源模型长度采用mm单位，目标模型长度采用m单位，但两者空间位置一致。所以，转换前，首先将源模型坐标乘以0.001，转换为m单位，然后生成NASTRAN的坐标，对应本算例的节点坐标的前三行如下：

2)NASTRAN模型单元信息生成，搜索SURFACE关键词，可见如下所示的多行相似语句：

生成的NASTRAN的单元信息如下：

注意单元特性的编号6是由源模型中的P0006生成。三角形单元的处理可参照前面的过程实施。

3)NASTRAN模型材料和单元特性信息生成首先增加材料信息如下：

其中的99，9.+9，0.3均任意指定，只要符合NASTRAN的语法规则即可。

然后，增加单元特性，以P0006对应的单元特性举例生成NASTRAN的单元特性如下：

注意，单元特性编号和源模型一致，材料特性编号和前面增加材料的材料编号一致。板单元厚度随意指定。

4)NASTRAN模型温度载荷信息生成

在tmgtempn.unv文件中，搜索“NODE TEMPERATURES”字段，然后，看NODE TEMPERATURES后的时刻是不是需要映射的时刻，如果是，则将后面第9行起的温度场数据转换为NASTRAN格式的温度信息。假设需要转换1时刻的温度场，其原始文件的温度场信息如下：

转换后的NASTRAN格式的温度场如下：

5)完成上面模型转换和温度场建立后，启动PATRAN，导入前面生成的NASTRAN模型。此时在PATRAN中已存在施加在映射源模型上的温度场。绘制导入有限元模型上的温度云图，在温度云图没有关闭的前提下，建立一个连续的场，如图4所示。切换到要映射温度场的目标模型所在组，以刚生成的场在目标组上施加温度载荷，如图5所示。至此，完成不同模型之间温度场的映射。

6)源模型温度场和映射后的目标模型温度场如图6和图7所示。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种有限元温度场结果的映射方法，其特征在于步骤如下：

(2)从INPF文件中提取模型信息，从tmgtempn.unv文件中提取节点的温度信息，利用提取的信息生成bdf格式的NASTRAN模型；具体步骤如下：

(2.1)从INPF文件中提取节点坐标：搜索INPF文件，当第一次搜索到连续的只有第一列为-1的两行时，则依次提取其后每行的数据，直至出现第一列只有-1的行结束；提取每行的第一个数据填充在NASTRAN模型节点信息的节点编号位置，每行的后三个数据依次作为该节点编号下的X、Y、Z坐标填充在NASTRAN模型节点信息的相应位置；

(2.2)从INPF文件中提取单元信息：搜索INPF文件，搜索到SURFACE关键字时，将该关键字前第一个数据填充到NASTRAN模型单元信息的单元编号位置，将该关键字后第三个数据填充到NASTRAN模型单元信息的属性编号位置，SURFACE关键字后第三个数据之后的数据作为该单元的节点编号填充到NASTRAN模型单元信息的相应节点编号位置；

(2.3)根据INPF文件，生成单元特性信息和单元类型信息，单元特性的数量和INPF文件中的数量一致，单元特性中引用的材料特性可任意定义为NASTRAN认可的各向同性材料；单元的类型根据SURFACE关键字后的节点数目确定，具体而言就是，2个节点对应CROD单元，三个节点对应CTRIA3，四个节点对应CQUAD4单元；

(2.4)从tmgtempn.unv文件中提取节点编号及该编号对应的温度值，将其转换为NASTRAN的温度载荷信息；完成bdf格式的NASTRAN模型的建立；

(3)将上述生成的NASTRAN模型导入PATRAN软件中；

(4)在PATRAN软件中，将导入的NASTRAN模型的温度场映射到PATRAN软件中的目标模型上，实现从IDEAS模型计算的温度场到PATRAN模型温度场的映射。

2.根据权利要求1所述的一种有限元温度场结果的映射方法，其特征在于：当IDEAS中的映射源模型与PATRAN中的目标模型单位制不同和空间位置不同时，在步骤(2.1)前可以进行坐标变换和比例缩放，以实现单位转换和空间平移。