CN104636537A - 脐带缆有限元模型前处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脐带缆有限元模型前处理系统及方法，该系统包括材料模块、部件模块、载荷步模块、接触与摩擦模块、载荷与边界条件模块以及生成INP文件模块；该方法包括步骤：在材料模块中输入材料参数；在部件模块中定义部件信息；在载荷步模块中定义载荷步；接触与摩擦模块中设置端部截面耦合、接触属性和接触对；在载荷与边界条件模块中设置载荷、边界条件和施加区域。其中施加区域通过软件自动提供的所有可能施加载荷与边界条件的面和参考点进行选择设置。在生成INP文件模块中输出的INP文件。与现有技术相比，本发明缩短了建模时间，并且使用简便；并且，保证了高精度的模型建立和网格划分。

Description

脐带缆有限元模型前处理系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程设备中的脐带缆分析技术，特别是涉及一种脐带缆的三维实体有限元分析的前处理的方法。

背景技术

目前使用通用有限元软件对脐带缆进行分析是比较常用的方法。但是，在三维实体分析中，脐带缆的螺旋构件模型的建立以及设置相互之间的接触和摩擦关系非常耗时、枯燥，效率低下，容易出现错误并且难以修改。在进行参数分析时，往往需要建立很多模型，建模工作极其繁琐。

通用有限元软件ANSYS和ABAQUS/CAE仅能建立一次螺旋构件模型，不能直接建立高次螺旋构件模型。目前可以实现高次螺旋建模的方法是使用Pro/E或者AutoCAD的三维建模功能建立实体模型的sta文件，之后导入ABAQUS中进行分析，也可以通过在ANSYS中输入高次螺旋线的离散点，通过样条曲线建立近似的高次螺旋线。但是依然存在以下问题：

(1)Pro/E或者AutoCAD仅能实现建模功能，导入ABAQUS中后仍然需要进行接触摩擦和边界条件的设置；

(2)ANSYS中利用样条曲线建模过程和AutoCAD的三维建模过程，均对螺旋母线进行了近似处理，所得到的三维模型不够精确，局部存在扭曲，在后续的接触和分析中易导致单元扭曲；

(3)软件之间的相互导入，降低了建模效率。

发明内容

为了克服上述现有技术，本发明提出了一种脐带缆有限元模型前处理方法，针对钢管脐带缆的非螺旋构件、一次和二次螺旋构件开发自动前处理方法，实现三维实体建模和网格划分、材料属性的赋予、接触面的自动搜索和载荷边界条件的施加等功能，以降低建模时间，提高修改效率，为脐带缆的三维实体有限元分析提供便利。

本发明提出了一种脐带缆有限元模型前处理系统，该系统包括材料模块、部件模块、载荷步模块、接触与摩擦模块、载荷与边界条件模块以及生成INP文件模块；其中：

所述材料模块，用于输入材料参数，所述材料参数至少包括材料名称、密度、弹性模量和泊松比的参数在内的线弹性材料属性；

所述部件模块，用于建立脐带缆构建的几何模型和有限元模型，建立非螺旋构件、一次螺旋构件和二次螺旋构件，支持单层和多层材料；并且，定义部件属性，所述部件属性至少包括部件的名称、长度、构型参数、尺寸参数、材料参数和网格参数，其中，构型参数包括构件的螺旋参数、空间位置和环形阵列数；

所述载荷步模块，用于设置载荷步，所述载荷步至少包括求解器类型、非线性开关、重启动开关和结果输出；

所述接触与摩擦模块，用于设置端部截面耦合方式、接触属性和接触对；

所述载荷与边界条件模块，用于设置载荷类型、边界条件和施加区域；

所述生成INP文件模块，用于直接输出INP文件到指定的保存路径，输出的INP文件在ABAQUS/Command模块中直接被调用进行计算，或者导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理。

本发明提出了一种脐带缆有限元模型前处理方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在材料模块中输入材料参数，所述材料参数至少包括材料名称、密度、弹性模量和泊松比的参数在内的线弹性材料属性；

步骤2、在部件模块中定义部件信息，至少包括部件的名称、长度、构型参数、尺寸参数、材料参数和网格参数，其中，构型参数包括构件的螺旋参数、空间位置和环形阵列数；

步骤3、在载荷步模块中定义载荷步，至少包括求解器类型、非线性开关、重启动开关和结果输出；

步骤4、在接触与摩擦模块中设置端部截面耦合、接触属性和接触对；

步骤5、在载荷与边界条件模块中设置载荷、边界条件和施加区域。其中施加区域通过软件自动提供的所有可能施加载荷与边界条件的面和参考点进行选择设置。

步骤6、在生成INP文件模块中输出的INP文件，直接使用ABAQUS/Command模块调用计算，或者导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理。

与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：

(1)脐带缆有限元模型前处理软件在螺旋线的Frenet标架推导和程序开发过程中全程采用数学解析方法，保证了高精度的模型建立和网格划分。

(2)脐带缆有限元模型前处理软件输出的INP文件可以在ABAQUS/Command模块中直接调用计算，也可以导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理，为脐带缆的建模提供了极大的便利，缩短了建模时间，并且使用简便。

附图说明

图1为脐带缆有限元模型前处理系统模块框架图；

图2为为脐带缆有限元模型前处理方法的流程图；

图3为脐带缆有限元模型前处理软件生成的脐带缆模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并 不局限于此。

脐带缆有限元模型前处理系统，包括材料模块、部件模块、载荷步模块、接触与摩擦模块、载荷与边界条件模块以及生成INP文件模块。

所述材料模块用以设置材料参数，支持最常用的线弹性材料属性的输入，包括材料名称、密度、弹性模量和泊松比的参数。对于其他材料模型，如弹塑性或者超弹性等材料属性的输入，可以在生成的INP文件中，根据相应书写规则添加相关的参数，也可以将生成的INP文件读入ABAQUS/CAE中，修改材料属性。

所述部件模块用以建立脐带缆构建的几何模型和有限元模型，能够建立非螺旋构件、一次螺旋构件和二次螺旋构件，并且支持单层和多层材料。该模块可定义部件的属性，包括部件的名称、长度、构型参数、尺寸参数、材料参数和网格参数。其中，构型参数包括构件的螺旋参数、空间位置和环形阵列数。

所述载荷步模块用以设置载荷步、求解器类型、非线性开关、重启动开关和结果输出等内容。本发明提供了常用的三种求解器的设置：General static，Dynamic implicit和Dynamic explicit，并且考虑到不同求解器的设置参数，包括计算时间、最大迭代次数、起始增量步、最小增量步、最大增量步、非线性开关和重启动开关。软件还设计了历史变量和场变量输出界面，可以从中勾选需要的变量输出结果。

所述接触与摩擦模块用以设置端部截面耦合方式、接触属性和接触对。端部截面耦合开关，可设置非耦合、Continuum distributing耦合和Kinematic耦合。接触属性设置可能接触的材料的摩擦系数。该模块中的材料信息来自材料模块输入的信息。系统提供了接触对自动搜索功能，特别是当内外层的螺旋角度相反时仍可设置面面接触。在搜索到可能接触的构件之后，自动根据两个构件之间相互接触的材料，为该接触对赋予相应的接触属性。

所述载荷与边界条件模块包括载荷、边界条件和施加区域。载荷类型包括集中力、集中弯矩和分布压力，可以为依次为每个载荷步设置载荷及其幅值曲线。边界条件包括位移、转角边界条件及其“Smooth Step”类型的幅值曲线。为了方便载荷与边界条件的施加，软件自动提供了所有可能施加载荷与边界条件的面(外表面、 内表面、顶面和底面)和参考点(若在接触与摩擦模块选择了端部截面耦合)，在使用过程中仅需要选择所施加的区域即可。

所述生成INP文件模块可直接输出INP文件到指定的保存路径，输出的INP文件可以在ABAQUS/Command模块中直接调用计算，也可以导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理。

为了能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，现例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

第一步：在材料模块中定义材料，设置材料的力学属性，至少包括密度、弹性模量和泊松比的参数(ρ，E，μ)；

第二步：在部件模块中定义部件信息，至少包括设置部件的名称、长度、构型参数、尺寸参数、材料参数和网格参数。例如的部件信息为螺旋、中心坐标、阵列数目、几何尺寸、材料；

第三步：在载荷步模块中定义载荷步，设置计算时间、最大迭代次数、起始增量步、最小增量步、最大增量步、非线性开关和重启动开关、历史变量和场变量输出结果。

第四步：在接触与摩擦模块中设置端部截面耦合、接触属性和接触对。其中接触对通过软件自动搜索到的所有可能接触的构件进行选择设置。

第五步：在载荷与边界条件模块中设置载荷、边界条件和施加区域。其中施加区域通过软件自动提供的所有可能施加载荷与边界条件的面和参考点进行选择设置。

第六步：在生成INP文件模块中输出的INP文件，直接使用ABAQUS/Command模块调用计算，也可以导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理。

本发明的脐带缆有限元模型前处理软件能够建立非螺旋构件、一次螺旋构件和二次螺旋构件，并且支持单层和多层材料；不但能够实现建模功能，而且能够完成接触摩擦 和边界条件的设置。另外还设计了构件接触对自动搜索算法，可以实现接触对的自动搜索和接触属性的自动赋予等功能。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种脐带缆有限元模型前处理系统，其特征在于，该系统包括材料模块、部件模块、载荷步模块、接触与摩擦模块、载荷与边界条件模块以及生成INP文件模块；其中：

所述材料模块，用于输入材料参数，所述材料参数至少包括材料名称、密度、弹性模量和泊松比的参数在内的线弹性材料属性；

所述部件模块，用于建立脐带缆构建的几何模型和有限元模型，建立非螺旋构件、一次螺旋构件和二次螺旋构件，支持单层和多层材料；并且，定义部件属性，所述部件属性至少包括部件的名称、长度、构型参数、尺寸参数、材料参数和网格参数，其中，构型参数包括构件的螺旋参数、空间位置和环形阵列数；

所述载荷步模块，用于设置载荷步，所述载荷步至少包括求解器类型、非线性开关、重启动开关和结果输出；

所述接触与摩擦模块，用于设置端部截面耦合方式、接触属性和接触对；

所述载荷与边界条件模块，用于设置载荷类型、边界条件和施加区域；

所述生成INP文件模块，用于直接输出INP文件到指定的保存路径，输出的INP文件在ABAQUS/Command模块中直接被调用进行计算，或者导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理。

2.如权利要求1所述的一种脐带缆有限元模型前处理系统，其特征在于，所述载荷类型包括集中力、集中弯矩和分布压力。

3.如权利要求1所述的一种脐带缆有限元模型前处理系统，其特征在于，所述求解器类型，至少包括计算时间、最大迭代次数、起始增量步、最小增量步、最大增量步的设置。

4.如权利要求1所述的一种脐带缆有限元模型前处理系统，其特征在于，所述接触对，通过自动搜索到，对所有接触的构件进行选择设置。

5.如权利要求1所述的一种脐带缆有限元模型前处理系统，其特征在于，所述边界条件包括位移、转角边界条件及其“Smooth Step”类型的幅值曲线。

6.一种脐带缆有限元模型前处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、在材料模块中输入材料参数，所述材料参数至少包括材料名称、密度、弹性模量和泊松比的参数在内的线弹性材料属性；

步骤(2)、在部件模块中定义部件信息，至少包括部件的名称、长度、构型参数、尺寸参数、材料参数和网格参数，其中，构型参数包括构件的螺旋参数、空间位置和环形阵列数；

步骤(3)、在载荷步模块中定义载荷步，至少包括求解器类型、非线性开关、重启动开关和结果输出；

步骤(4)、在接触与摩擦模块中设置端部截面耦合、接触属性和接触对；

步骤(5)、在载荷与边界条件模块中设置载荷、边界条件和施加区域。其中施加区域通过软件自动提供的所有可能施加载荷与边界条件的面和参考点进行选择设置。

步骤(6)、在生成INP文件模块中输出的INP文件，直接使用ABAQUS/Command模块调用计算，或者导入ABAQUS/CAE中做进一步的处理。

7.如权利要求6所述的一种脐带缆有限元模型前处理方法，其特征在于，所述载荷类型包括集中力、集中弯矩和分布压力。

8.如权利要求6所述的一种脐带缆有限元模型前处理方法，其特征在于，所述求解器类型，至少包括计算时间、最大迭代次数、起始增量步、最小增量步、最大增量步的设置。

9.如权利要求6所述的一种脐带缆有限元模型前处理方法，其特征在于，所述接触对，通过自动搜索到，对所有接触的构件进行选择设置。

10.如权利要求6所述的一种脐带缆有限元模型前处理方法，其特征在于，所述边界条件包括位移、转角边界条件及其“Smooth Step”类型的幅值曲线。