CN103279586B - 一种有限元温度场的二次映射方法 - Google Patents

Abstract

一种有限元温度场的二次映射方法，（1）将商用软件得到的温度场映射到建立的NASTRAN结构分析模型上；（2）上述结构分析模型中保留BEGIN？BULK和ENDDATA关键字，提取节点位置、单元类型和节点编号信息、单元特性、节点温度信息和坐标系，生成新的文件；（3）在新文件中增加热分析求解器设置及热分析工况设置；增加热分析的材料特性；当待分析对象中存在复合材料层板单元时，增加单元特性，并将NASTRAN软件进行热分析过程中不支持的单元类型修改成热分析支持的单元类型；（4）将步骤（3）处理后的结构分析模型中的温度场载荷修改为温度边界条件；（5）在NASTRAN软件中求解热分析模型，并将生成的温度场转化为NASTRAN格式的温度场载荷，完成温度场的二次映射。

Description

一种有限元温度场的二次映射方法

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，特别适用于温度场映射不完全的情况。

背景技术

当热分析模型的结果要传递给结构分析模型进行进一步分析时，目前采用的是温度场映射方法，即指定一个容差，两个模型在这一容差控制下，进行温度场插值。但是，热分析模型和结构分析模型往往存在一定差异，导致结构分析模型上的部分节点不能进行映射，使后续分析无法进行，如果强行提交求解器进行运算，则会出现“某节点没有温度数据指定”的错误，目前尚没有方便直接的方法可以解决这一映射失败问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种有限元温度场的二次映射方法，该方法通过将结构分析模型转换为热分析模型，通过求解稳态热分析问题，获得整个模型上的温度场，从而实现温度场的二次映射。

本发明的技术解决方案是：一种有限元温度场的二次映射方法，步骤如下：

(1)将由其它商用软件计算得到的温度场映射到建立的NASTRAN结构分析模型上，得到一次温度场映射的结构分析模型，温度场为该结构分析模型的载荷；

(2)从上述一次温度场映射的结构分析模型中，保留BEGINBULK和ENDDATA关键字，提取节点位置、单元类型和节点编号信息、单元特性(不含复合材料层板单元特性)、节点温度信息和坐标系，生成新的文件；

(3)在步骤(2)处理后的文件中增加热分析求解器设置以及热分析工况设置；增加热分析的材料特性；当待分析对象中存在复合材料层板单元时，增加单元特性，即将复合材料层板单元特性改为均质单元特性，并将NASTRAN软件进行热分析过程中不支持的单元类型修改成热分析支持的单元类型；

(4)将步骤(3)处理后的结构分析模型中的温度场载荷修改为温度边界条件，得到热分析模型；

(5)在NASTRAN软件中求解热分析模型，得到待分析对象完整的温度场，并将生成的温度场转化为NASTRAN格式的温度场载荷，完成温度场的二次映射。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1)利用本发明，可以将一次映射的不完整温度场生成结构分析模型上的完整温度场。

2)映射过程不需指定映射公差，自动根据结构构型生成具有线性插值精度的温度场。和现有映射方法相比，这一优点是非常重要的。因为公差过小，则映射可能无法实现；公差过大，则可能将其它结构上的温度场映射在结构上，导致错误映射。

3)本发明适用于目前已知的各种单元(梁单元、板单元或者三维实体单元等等)，适应性好。

4)本发明一次可以进行多工况映射，提高了运行效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2a、2b为ThermalDesktop到NASTRAN的温度场映射输出示意图；

图3为本发明某相机有限元模型；

图4为本发明采用ThermalDesktop软件得到的一次映射温度场；

图5为本发明实例二次映射后的温度场分布。

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：

一种有限元温度场的二次映射方法，其特征在于步骤如下：

第一步，将由其它商用软件计算得到的温度场映射到建立的NASTRAN结构分析模型上，得到一次温度场映射的结构分析模型，温度场为该结构分析模型的载荷。

根据热分析软件的不同，一次映射方法有多种，当从ThermalDesktop热分析温度场映射到NASTRAN模型时，主要步骤如下：

1)生成需要映射温度场的NASTRAN模型

2)在ThermalDesktop软件中，按照图2a、2b依次进行。生成映射后的温度载荷数据。

3)在PATRAN中导入上一步生成的数据，在PATRAN中将产生温度载荷。

4)将上一步生成的载荷施加在模型上，完成温度场的一次映射。

5)以温度场为载荷，建立结构分析工况，输出为NASTRAN模型文件。

当从IDEAS热分析温度场映射到NASTRAN模型时，主要步骤如下：

1)需要IDEAS的两个结果文件：INPF和tmgtempn.unv

2)从INPF文件中提取节点和单元信息

3)从tmgtempn.unv文件中提取节点温度信息

4)将生成的信息放入一个文件，导入PATRAN作为映射的源模型，此时在PATRAN中已存在施加在映射源模型上的温度场。

5)绘制导入的源模型上的温度云图，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。

6)以温度场为载荷，建立结构分析工况，输出为NASTRAN模型文件。

图2ThermalDesktop到NASTRAN的温度场映射输出

第二步，从上述一次温度场映射的结构分析模型中，保留BEGINBULK和ENDDATA关键字，提取节点位置、单元类型和节点编号信息、单元特性(不含复合材料层板单元特性)、节点温度信息和坐标系，生成新的文件；

第三步，在第二步处理后生成的文件中增加热分析求解器设置以及热分析工况设置；增加热分析的材料特性；当待分析对象中存在复合材料层板单元时，增加单元特性，即将复合材料层板单元特性改为均质单元特性；

(1)增加热分析求解器设置，即在BEGINBULK语句前增加表1中的内容。

表1

SOL153

CEND

ANALYSIS＝HEAT

其中，第一行表示进行稳态温度场分析，第二行是求解控制段的结束语句，第三行是表示热分析。

(2)增加稳态温度场分析(热分析)工况设置，在上一条增加的语句后面增加工况求解控制信息，工况的个数和原结构分析模型的求解工况数一致，即原结构分析模型有多少个工况，此处就增加多少个工况。每个都由如下的几行组成：

表2

其中，第一行表示第SN个工况，从1开始编号，以升序排列各个工况的编号；第二行表示求解过程的控制卡号为NN；第三行表示温度场分析中的温度边界条件标识为TN，TN与一次映射后的结构分析模型中相应工况的TEMPERATURE(LOAD)标识号必须保持一致。第四行表示以PUNCH文件格式输出全部节点的温度。

(3)在BEGINBULK语句后增加表3内容，即增加温度场分析的求解控制(第三行)，其中NN必须和第(2)条中的NN一致；增加温度场分析的材料特性(第四行)，其中材料编号任意，但不能和已有材料特性编号重复，传导系数为任意非零正实数；增加单元特性(第五行)，用于替代复合材料层板单元的单元特性，其中，材料编号必须和第四行的材料编号一致，特性编号和原复合材料层板单元编号一致，板厚度和原厚度一致，如果存在多个复合材料层板单元的单元特性，则需相应的增加和第五行相似的内容，卡片的修改规则相同。本条以及之后各条语句均以NASTRAN的固定短格式为例说明，各个示例语句中的竖线条为各个字段的分隔标志。长格式和自由格式的修改可参照执行(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)。

表3

修改材料特性，将待分析对象的所有材料采用同一种材料进行描述；即将bdf文件中所有一维、二维和三维单元材料特性编号改为和第四行的材料编号一致，即PSHELL的MID1字段改为第四行的材料编号，PSHEAR、PBARL、PROD、PSOLID的MID字段改为第四行的材料编号。

(4)修改某些热分析不支持的单元类型为能够进行温度场求解的单元类型。具体而言就是CTRIAR单元改为CTRIA3单元，CQUADR单元改为CQUAD4单元。

第四步，将第三步处理后的结构分析模型中的温度场载荷修改为温度边界条件，得到热分析模型；

原来温度载荷是如下表4的形式之一：

表4

根据具体形式不同，生成相应的热分析温度边界条件，以形式1为例，可修改为：

表5

形式2和形式3则可作类似修改。

第五步，在NASTRAN软件中求解热分析模型，得到待分析对象完整的温度场，结果存于扩展名为pch的文件中。其文件头部分格式如下：

表6

将生成的温度场转换为NASTRAN格式的温度场载荷，该转换之后的温度场格式与第四步中的TEMP语句格式相同。将一次映射后的结构模型中旧的非完整映射的温度场替换为新生成的温度场，则完成了温度场的二次映射。在完成二次映射的模型上进行结构分析，模型可正常进行求解，而不会出现节点温度没有定义的错误。

目前该项技术已应用于某星相机和整星以及某星载伞天线的在轨热变形分析。通过某星的整星在轨热分析，得到了在轨期间相机夹角稳定性优于1″的分析结果，并已通过在轨飞行数据证明了分析结果的正确性；通过某星载伞天线的在轨热变形分析，得到了该天线在轨全寿命期间天线反射面热变形的半光程差数据，为伞天线在轨热变形指标的合理分配和设计改进，提供了依据，上述工作均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相机，其有限元模型如图3所示。采用ThermalDesktop软件得到的一次映射温度场见图4，由图4可见，图中存在多个区域为没有温度场的黑色区域，如图中标注的1区至5区。二次映射的步骤如下：

第一步，在PATRAN中将一次映射的温度场作为温度载荷，建立静态热变形分析工况，输出包含该温度载荷的NASTRAN的BDF格式的文件。

第二步，从上述一次温度场映射的结构分析模型中，保留BEGINBULK关键字，提取节点位置、单元信息、单元特性(不含复合材料层板单元特性)、节点温度信息，生成新的文件；对本算例而言，是提取如下内容：

(1)BEGINBULK和ENDDATA关键字

(2)CQUAD4、CTRIA3、CHEXA、GRID、MAT1、BRE2和RBE3卡片

第三步，在第二步处理后生成的文件中增加热分析求解器设置以及热分析工况设置；增加热分析的材料特性；将复合材料层板单元特性改为均质单元特性；

(1)增加热分析求解器设置，即在BEGINBULK语句前增加如下的内容。

表7

SOL153

CEND

ANALYSIS＝HEAT

(2)增加稳态温度场分析(热分析)工况设置，在上一条增加的语句后面增加工况求解控制信息，工况的个数和原结构分析模型的求解工况数一致，即原结构分析模型有多少个工况，此处就增加多少个工况，本例只有一个工况。增加的工况描述由如下的几行组成：

表8

(3)在BEGINBULK语句后增加表9内容，即增加温度场分析的求解控制(第三行)；增加温度场分析的材料特性(第四行)，其中材料编号为999999，传导系数为100；增加单元特性(第五行)，用于替代复合材料层板单元的单元特性，其中，材料编号必须和第四行的材料编号一致，为999999，特性编号和原复合材料层板单元编号一致，板厚度和原厚度一致，原复合材料层板单元共3种，单元特性编号分别为1，3，4，总厚度分别为1，2，5，则相应的增加语句见表9的后三行。

表9

修改材料特性，将待分析对象的所有材料采用同一种材料进行描述；即将bdf文件中所有一维、二维和三维单元材料特性编号改为和第四行的材料编号一致，即PSHELL的MID1字段改为999999，PSHEAR、PBARL、PROD、PSOLID的MID字段改为999999。

(4)本算例没有CTRIAR单元和CQUADR单元，所以不需要修改。

第四步，将第三步处理后的结构分析模型中的温度场载荷修改为温度边界条件，得到热分析模型；

以某一行为例，即将表10所示的原来的温度场载荷改为表11所示的温度边界条件。

表10

表11

第五步，在NASTRAN软件中求解热分析模型，得到待分析对象完整的温度场，结果存于扩展名为pch的文件中。将PCH文件中的温度场改为TEMP格式的温度载荷，替换一次映射模型中的温度场，则完成了温度场的二次映射。图5是二次映射后的温度场分布，从图中可见，所有位置均存在温度信息，且温度分布满足线性插值精度。

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)

1.一种有限元温度场的二次映射方法，其特征在于步骤如下：

(1)将由热分析商用软件计算得到的温度场映射到建立的NASTRAN结构分析模型上，得到一次温度场映射的结构分析模型，温度场为该结构分析模型的载荷；

(2)从上述一次温度场映射的结构分析模型中，保留BEGINBULK和ENDDATA关键字，提取节点位置、单元类型和节点编号信息、单元特性、节点温度信息和坐标系，生成新的文件，所述的单元特性不含复合材料层板单元特性；

(3)在步骤(2)处理后的文件中增加热分析求解器设置以及热分析工况设置；增加热分析的材料特性；当待分析对象中存在复合材料层板单元时，增加单元特性，即将复合材料层板单元特性改为均质单元特性，并将NASTRAN软件进行热分析过程中不支持的单元类型修改成热分析支持的单元类型；

(4)将步骤(3)处理后的结构分析模型中的温度场载荷修改为温度边界条件，得到热分析模型；

(5)在NASTRAN软件中求解热分析模型，得到待分析对象完整的温度场，并将生成的温度场转化为NASTRAN格式的温度场载荷，完成温度场的二次映射。