CN105630600A - 一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有限元模型质量特性自动调整方法，特别是涉及一种高精度的有限元模型质量特性的自动调整方法。本发明设计了一种高精度的有限元模型质量特性的自动调整方法。较传统方法相比，本发明设计的方法有以下两方面优点，具有较高的实际应用价值：(1)高精度。通过本发明的方法，可以对有限元模型的质量特性进行高精度的调整，可高精度地同时满足质量、质心坐标(x,y,z三方向)与转动惯量(x,y,z三方向)等7个量；(2)自动化。通过本发明的方法，在选取模型的目标节点后，不需要人工干预，通过程序自动实现有限元模型质量特性的自动调整。同时，本发明具有开放性的特点，具有很高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于有限元模型质量特性自动调整方法，特别是涉及一种高精度的有限元模型质量特性的自动调整方法。
背景技术
在工业设计中，对于结构振动、冲击碰撞、多体相对运动等问题中，都涉及到结构动力学的仿真。目前，有限元方法已经成为了结构动力学仿真的主要方法。对于一个准确的结构动力学数值模拟，有限元模型中质量特性(包括模型的质量、质心位置与转动惯量)与刚度的精度是至关重要的。如何保证有限元模型的质量特性的精度，是一个十分重要的问题。
目前，在结构动力学建模中，对于有限元模型的质量特性调整方法大致有以下两种方法：对于结构完整的模型，如零件、传动机构等采用实体建模方法，通过对单元材料密度的正确赋值，保证有限元模型特性的质量；对于汽车、飞机、运载火箭等只有主要结构部件，没有仪器设备、乘客等的不完成模型，通过在仪器设备、乘客等的位置安放集中质量点，来保证有限元模型的质量特性。以上两种方法能够近似满足结构动力学仿真中有限元模型的质量，但模型质量的精度均不高；同时，以上两种方法在保证模型质量特性的过程中，均需要大量的人工干预。
因此，亟需研制一种高精度的有限元模型质量特性的自动调整方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度的有限元质量特性的自动调整方法，使结构动力学仿真中有限元模型的质量特性能够高精度、自动化地得到满足。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，包括以下步骤：
步骤1、采集固体结构的实际外形和物理尺寸，建立有限元网格；
步骤2、根据步骤1建立的有限元网格，计算有限元网格的质量特性，包括质量、质心坐标与转动惯量；
步骤3、设置有限元模型质心坐标允许的误差；设置有限元模型转动惯量允许的误差；
步骤4、计算得到真实物体质量与步骤2计算得到的有限元网格质量之间的差值；
步骤5、在步骤1建立的有限元网格中，采集可能添加质量点的节点集合；
步骤6、采集需要添加的质量点个数；
步骤7、根据步骤4得到的差值与步骤6设置的质量点个数，得到每个质量点具有的质量为：步骤4得到的差值/步骤6设置的质量点个数；通过该步骤使有限元模型的总质量和实际质量相同；
步骤8、通过穷举的方法，依次在步骤5采集的节点集合添加步骤6采集的质量点个数的质量点，每个质量点的质量为步骤7计算得到的每个质量点具有的质量；
步骤9、根据步骤2计算得到的有限元网格的质量特性，计算得到步骤8中添加质量点之后的模型的特性；
步骤10、将步骤9得到的添加质量点后的模型的质量特性与步骤2计算的有限元网格质量特性相比较：
若两者的差值小于步骤3设置的有限元模型质心坐标允许的误差与有限元模型转动惯量允许的误差，则计算结束；这时，采集此时在步骤8中使用的节点编号、质量点的坐标与步骤7计算的每个质量点的质量，这些节点编号、质量点的坐标与质量点的质量便为有限元模型质量特性自动调整的最终方案；
若两者的差值大于等于步骤3设置的有限元模型质心坐标允许的误差与有限元模型转动惯量允许的误差，则进行下一步骤；
步骤11、若步骤8穷举计算结束时，依然不满足步骤10中计算结束的条件，则修改步骤5选取的节点集合与步骤6选取的质量点个数，然后循环步骤7－步骤10，直到步骤10中计算结束的条件满足为止；
步骤12、若通过步骤11，仍然没有满足步骤10中的计算结束的条件，那么则修改步骤3中设置的有限元模型质心坐标允许的误差以及有限元模型转动惯量允许的误差，然后循环步骤5－步骤11，直到步骤10中计算结束的条件满足为止。
进一步的，如上所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，步骤2中，质心坐标与转动惯量都包括x,y,z三个方向。
进一步的，如上所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，步骤3中，有限元模型质心坐标允许的误差为1％；有限元模型转动惯量允许的误差为5％。
进一步的，如上所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，步骤5中，可能添加质量点的节点集合是全部节点集合。
进一步的，如上所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，步骤5中，可能添加质量点的节点集合是根据经验选取的部分节点集合。
本发明设计了一种高精度的有限元模型质量特性的自动调整方法。较传统方法相比，本发明设计的方法有以下两方面优点，具有较高的实际应用价值：(1)高精度。通过本发明的方法，可以对有限元模型的质量特性进行高精度的调整，可高精度地同时满足质量、质心坐标(x,y,z三方向)与转动惯量(x,y,z三方向)等7个量；(2)自动化。通过本发明的方法，在选取模型的目标节点后，不需要人工干预，通过程序自动实现有限元模型质量特性的自动调整。同时，本发明具有开放性的特点，具有很高的工程应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法进行详细说明。这种方法的目的是实现在结构动力学仿真中有限元质量特性的高精度自动调整，包括以下步骤：
一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、采集固体结构的实际外形和物理尺寸，建立有限元网格；
步骤2、根据步骤1建立的有限元网格，计算有限元网格的质量特性，包括质量、x,y,z三个方向的质心坐标与x,y,z三个方向的转动惯量；
有限元网格的质量特性的计算方法为行业公知，具体方法可参见以下文献：
王洪军，董建伟，宋强.有限元法计算惯性矩及转动惯量[J],石家庄铁路职业技术学院学报，2006(3)。
步骤3、设置有限元模型质心坐标允许的误差；设置有限元模型转动惯量允许的误差；在本实施例中，有限元模型质心坐标允许的误差为1％；有限元模型转动惯量允许的误差为5％。
步骤4、计算得到真实物体质量与步骤2计算得到的有限元网格质量之间的差值；
步骤5、在步骤1建立的有限元网格中，采集可能添加质量点的节点集合；在本实施例中，可能添加质量点的节点集合可以是全部节点集合，也可以是根据经验选取的部分节点集合。
步骤6、采集需要添加的质量点个数；
步骤7、根据步骤4得到的差值与步骤6设置的质量点个数，得到每个质量点具有的质量为：步骤4得到的差值/步骤6设置的质量点个数；通过该步骤使有限元模型的总质量和实际质量相同；
步骤8、通过穷举的方法，依次在步骤5采集的节点集合添加步骤6采集的质量点个数的质量点，每个质量点的质量为步骤7计算得到的每个质量点具有的质量；若步骤5采集的节点集合的节点个数为M，步骤6采集的质量点个数为N，则本步骤可能的计算次数为
步骤9、根据步骤2计算得到的有限元网格的质量特性，计算得到步骤8中添加质量点之后的模型的特性；
步骤10、将步骤9得到的添加质量点后的模型的质量特性与步骤2计算的有限元网格质量特性相比较：
若两者的差值小于步骤3设置的有限元模型质心坐标允许的误差与有限元模型转动惯量允许的误差，则计算结束；这时，采集此时在步骤8中使用的节点编号、质量点的坐标与步骤7计算的每个质量点的质量，这些节点编号、质量点的坐标与质量点的质量便为有限元模型质量特性自动调整的最终方案；
若两者的差值大于等于步骤3设置的有限元模型质心坐标允许的误差与有限元模型转动惯量允许的误差，则进行下一步骤；
步骤11、若步骤8穷举计算结束时，依然不满足步骤10中计算结束的条件，则修改步骤5选取的节点集合与步骤6选取的质量点个数，然后循环步骤7－步骤10，直到步骤10中计算结束的条件满足为止；
步骤12、若通过步骤11，仍然没有满足步骤10中的计算结束的条件，那么则修改步骤3中设置的有限元模型质心坐标允许的误差以及有限元模型转动惯量允许的误差，然后循环步骤5－步骤11，直到步骤10中计算结束的条件满足为止。
Claims (5)
1.一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、采集固体结构的实际外形和物理尺寸，建立有限元网格；
步骤2、根据步骤1建立的有限元网格，计算有限元网格的质量特性，包括质量、质心坐标与转动惯量；
步骤3、设置有限元模型质心坐标允许的误差；设置有限元模型转动惯量允许的误差；
步骤4、计算得到真实物体质量与步骤2计算得到的有限元网格质量之间的差值；
步骤5、在步骤1建立的有限元网格中，采集可能添加质量点的节点集合；
步骤6、采集需要添加的质量点个数；
步骤7、根据步骤4得到的差值与步骤6设置的质量点个数，得到每个质量点具有的质量为：步骤4得到的差值/步骤6设置的质量点个数；通过该步骤使有限元模型的总质量和实际质量相同；
步骤8、通过穷举的方法，依次在步骤5采集的节点集合添加步骤6采集的质量点个数的质量点，每个质量点的质量为步骤7计算得到的每个质量点具有的质量；
步骤9、根据步骤2计算得到的有限元网格的质量特性，计算得到步骤8中添加质量点之后的模型的特性；
步骤10、将步骤9得到的添加质量点后的模型的质量特性与步骤2计算的有限元网格质量特性相比较：
若两者的差值小于步骤3设置的有限元模型质心坐标允许的误差与有限元模型转动惯量允许的误差，则计算结束；这时，采集此时在步骤8中使用的节点编号、质量点的坐标与步骤7计算的每个质量点的质量，这些节点编号、质量点的坐标与质量点的质量便为有限元模型质量特性自动调整的最终方案；
若两者的差值大于等于步骤3设置的有限元模型质心坐标允许的误差与有限元模型转动惯量允许的误差，则进行下一步骤；
步骤11、若步骤8穷举计算结束时，依然不满足步骤10中计算结束的条件，则修改步骤5选取的节点集合与步骤6选取的质量点个数，然后循环步骤7－步骤10，直到步骤10中计算结束的条件满足为止；
步骤12、若通过步骤11，仍然没有满足步骤10中的计算结束的条件，那么则修改步骤3中设置的有限元模型质心坐标允许的误差以及有限元模型转动惯量允许的误差，然后循环步骤5－步骤11，直到步骤10中计算结束的条件满足为止。
2.如权利要求1所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，其特征在于：步骤2中，质心坐标与转动惯量都包括x,y,z三个方向。
3.如权利要求1所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，其特征在于：步骤3中，有限元模型质心坐标允许的误差为1％；有限元模型转动惯量允许的误差为5％。
4.如权利要求1所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，其特征在于：步骤5中，可能添加质量点的节点集合是全部节点集合。
5.如权利要求1所述的一种高精度的有限元模型质量特性自动调整方法，其特征在于：步骤5中，可能添加质量点的节点集合是根据经验选取的部分节点集合。
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| CN118278255A (zh) * | 2024-05-31 | 2024-07-02 | 威海巧渔夫户外用品有限公司 | 一种碳纤维鱼竿调性曲线计算模拟方法 |
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