CN105701275A - 一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法 - Google Patents

一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法 Download PDF

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Abstract

一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，它包括以下步骤：步骤1：对卫星结构几何模型提取中面；步骤2：获取需要处理的中面集合及其元素数目N；步骤3：对所有的面对(A,B)进行有关操作；步骤4：创建梁的模拟线；步骤5：将梁的模拟线结合至其所在的面；步骤6：对所有的面进行缝合；步骤7：对结构的几何模型划分二维有限元网格；步骤8：创建一维单元。通过该方法能对卫星结构三维实体模型抽取中面得到的几何进行自动处理，消除面与面之间的间隙并且删除多余的部分，最终生成的几何模型可以划分高质量的梁板共节点有限元网格。避免了大量的人机交互操作，需要的时间少，通用性强，适用范围广泛，具有很强的工程实用价值。

Description

一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法
技术领域：
本发明涉及一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，属于航天器结构分析的技术领域。
背景技术：
目前卫星结构多采用蜂窝夹层板承受和传递力学载荷，并为仪器设备提供安装支撑。随着设计方法和制造工艺的进步，一些卫星平台开始采用梁板复合式结构作为主承力形式，其中梁为高模量碳纤维缠绕的矩形或工字梁，预埋于卫星主隔板内部，起主要的承力作用；板为碳纤维蒙皮铝蜂窝板，起辅助支撑作用。为了验证卫星结构的设计是否满足要求，工程中一般采用有限元方法对其进行力学性能分析。卫星结构的几何模型一般采用三维实体进行建模，但有限元建模时一般分别采用梁单元和板壳单元对梁和蜂窝夹层板进行力学模拟，因此如果直接由三维实体抽取中面后划分有限元网格，则一方面梁单元很难通过实体几何抽象得到，另一方面相邻面之间的间隙会导致有限元网格的不连续。工程中希望能生成梁板共用节点的有限元网格，且板与板之间亦共用节点，从而无需额外引入刚性连接单元。梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成的主要难点是：梁单元很难通过三维实体几何抽象得到，并且从三维实体几何模型提取中面后得到的几何模型中，相邻面之间存在着间隙，从而无法直接生成连续的共节点网格。为了实现共节点有限元网格的划分，需要创建用于模拟梁的线，并且对中面进行延伸或裁剪，以消除面与面之间的间隙或多余的部分。由于卫星结构中一般有几十块蜂窝板，因此只依靠商业有限元软件自身的几何处理功能并通过人机交互方式实现整个卫星结构共节点有限元网格的生成将需要较高的技巧、大量的时间和烦琐的工作。
发明内容：
1、目的：为了实现卫星结构有限元模型的高效生成，本发明的目的是提供一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，该方法首先利用有限元软件的中面提取功能得到卫星结构板的中面几何模型，然后通过遍历获取需要进行处理的面对，其次对每组面对依次进行自动处理而获得整个卫星结构的二维几何模型，再次创建用于模拟梁的线并将其结合至所在的曲面，再次利用有限元软件的几何缝合功能实现将卫星结构的几何模型缝合为一个整体。在此基础上进行二维网格划分，得到基于板壳单元的共节点有限元网格。最后利用节点信息依次创建梁单元，从而得到整星的梁板共节点有限元网格。由于本方法实现自动处理，因此避免了大量的人机交互操作，需要的时间少，通用性强，适用范围广泛。
2、技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于它包括以下步骤：
步骤1：对导入有限元建模软件的卫星结构几何模型提取中面；
步骤2：获取需要处理的中面集合及其元素数目N：
步骤3：对所有的面对(A,B)进行以下操作：
步骤3.1：计算A和B的法向量之间的夹角θAB；
步骤3.2：若10°＜θAB＜170°，则执行步骤3.3至3.10；
步骤3.3：找出A中所有需要向B延伸的边及其数目NA；
步骤3.4：若NA＞0，则执行步骤3.5至3.6；否则执行步骤3.7至3.10；
步骤3.5：计算A中的边需要向B延伸的长度δA；
步骤3.6：将A中所有需要向B延伸的边延伸δA；
步骤3.7：找出B中所有需要向A延伸的边及其数目NB；
步骤3.8：若NB＞0，则执行步骤3.7；否则执行步骤3.9；
步骤3.9：计算B中的边需要向A延伸的长度δB；
步骤3.10：将B中所有需要向A延伸的边延伸δB；
步骤3.11：利用B分割A；
步骤3.12：删除A中面积较小的面；
步骤3.13：利用A分割B；
步骤3.14：删除B中面积较小的面；
步骤4：根据梁的几何信息在其所在的面上创建与其中心线平行的模拟线；
步骤5：将梁的模拟线结合至其所在的面；
步骤6：对所有的面进行缝合；
步骤7：对结构的几何模型划分二维有限元网格；
步骤8：根据梁的几何信息依次选择其模拟线上的节点创建一维单元；
其中，在步骤1中所述的“对导入有限元建模软件的卫星结构几何模型提取中面”的方法为：现有的有限元软件一般都支持薄壁零件的中面提取功能，并且卫星蜂窝夹层板结构一般都是厚度均匀的，因此直接通过有限元软件的用户界面选择卫星模型中蜂窝夹层结构板的几何模型进行中面提取即可得到相应的中面几何模型；
其中，在步骤2中所述的“获取需要处理的中面集合及其元素数目N”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发得到模型中所有中面所组成的集合以及其元素数目；获取中面集合所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.1中所述的“计算A和B的法向量之间的夹角θAB”的方法为：假设A和B的单位法向量分别为nA＝(nAx,nAy,nAz)和nB＝(nBx,nBy,nBz)，则它们之间夹角的余弦值为cosθAB＝nAxnBx+nAynBy+nAznBz，从而利用初等代数中的反三角函数可以得到两个向量之间夹角为θAB＝arccos(nAxnBx+nAynBy+nAznBz)；
其中，在步骤3.3中所述的“找出A中所有需要向B延伸的边及其数目NA”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发并按照以下方法实现：1)获取A所有的边EA1,…,EAn和B的一个顶点VB；2)对每条边EAj(j＝1,…,n)，假设其自然坐标表示为Pj(s)(0≤s≤1)，均匀地获取Nj+1个点Pjk＝Pj(k/Nj)(k＝0,1,…,Nj)，其中Nj≥1000；3)取dmax＝-999999,d＝0，然后按照初等解析几何中的公式djk＝nBx(xjk-xB)+nBy(yjk-yB)+nBz(zjk-zB)依次计算每个点Pjk到B的有向距离，若|djk|＞dmax，则dmax＝|djk|,d＝djk；其中(xjk,yjk,zjk)为Pjk在直角坐标系中的坐标，(xB,yB,zB)为VB的坐标，(nBx,nBy,nBz)为B的单位法向量；4)取abd＝999999，对每个点Pjk，若d·djk＞0且|djk|＜abd，则abd＝|djk|；5)若abd＜0.04，
则δmax＝abd+0.01；否则δmax＝0.05；6)NA＝0，对每条边EAj：若对k＝0,1,…,Nj均有|djk|≤δmax，则EAj标记为1，NA＝NA+1；否则EAj标记为0；在本步骤中获取A所有的边和B的顶点均可以通过软件的接口实现，并且在有限元软件中边或曲线一般会采用自然坐标进行表示，给定其自然坐标后可以通过接口得到其在直角坐标系下的坐标表示；本步骤中所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.5中所述的“计算A中的边需要向B延伸的长度δA”的方法为：δA＝δmax/sinθAB，其中δmax的值已经在步骤3.3中得到，θAB的值已经在步骤3.1中得到；
其中，在步骤3.6中所述的“将A中所有需要向B延伸的边延伸δA”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发将A中所有需要向B延伸的边延伸δA。对一个面中的若干条边进行延伸所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.7中所述的“找出B中所有需要向A延伸的边及其数目NB”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发并按照以下方法实现：1)获取B所有的边EB1,…,EBn和A的一个顶点VA；2)对每条边EBj(j＝1,…,n)假设其自然坐标表示为Pj(s)(0≤s≤1)，均匀地获取Nj+1个点Pjk＝Pj(k/Nj)(k＝0,1,…,Nj，)其中Nj≥1000；3)取dmax＝-999999,d＝0，然后按照初等解析几何中的公式djk＝nAx(xjk-xA)+nAy(yjk-yA)+nAz(zjk-zA)依次计算每个点Pjk到A的有向距离，若|djk|＞dmax，则dmax＝|djk|,d＝djk；其中(xjk,yjk,zjk)为Pjk在直角坐标系中的坐标，(xA,yA,zA)为VA的坐标，(nAx,nAy,nAz)为A的单位法向量；4)取abd＝999999，对每个点Pjk，若d·djk＞0且|djk|＜abd，则abd＝|djk|；5)若abd＜0.04，
则δmax＝abd+0.01；否则δmax＝0.05；6)NB＝0，对每条边EBj：若对k＝1,…,N均有|djk|≤δmax，则EBj标记为1，NB＝NB+1；否则EBj标记为0；在本步骤中获取B所有的边和A的顶点均可以通过软件的接口实现，并且在有限元软件中边或曲线一般会采用自然坐标进行表示，给定其自然坐标后可以通过接口得到其在直角坐标系下的坐标表示；本步骤中所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.9中所述的“计算B中的边需要向A延伸的长度δB”的方法为：δB＝δmax/sinθAB，其中δmax的值已经在步骤3.7中得到，θAB的值已经在步骤3.1中得到；需要注意的是，虽然本步骤和步骤3.5中均采用了变量δmax，但在步骤3.7中其值已经改变。
其中，在步骤3.10中所述的“将B中所有需要向A延伸的边延伸δB”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发将B中所有需要向A延伸的边延伸δB；对一个面中的若干条边进行延伸所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.11中所述的“利用B分割A”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发实现利用B分割A。在二次开发接口函数中只需指定分割面为B,被分割面为A即可，所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.12中所述的“删除A中面积较小的面”的方法为：利用有限元软件的二次开发接口可以得到A中每个面的面积，这样通过简单的加法就可以计算A中所有面的总面积；如果某个面的面积与总面积之比小于给定的阈值γ，则利用二次开发接口函数将其删除；
其中，在步骤3.13中所述的“利用A分割B”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发实现利用A分割B。在二次开发接口函数中只需指定分割面为A,被分割面为B即可，所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
其中，在步骤3.14中所述的“删除B中面积较小的面”的方法为：利用有限元软件的二次开发接口可以得到B中每个面的面积，这样通过简单的加法就可以计算B中所有面的总面积；如果某个面的面积与总面积之比小于给定的阈值γ，则利用二次开发接口函数将其删除；
其中，在步骤4中所述的“根据梁的几何信息在其所在的面上创建与其中心线平行的模拟线”的方法为：现有的有限元软件一般都具有曲线或直线创建功能，并且只需给定两个端点的坐标即可实现直线的创建，因此如果梁的模拟线的两个端点坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，则直接通过有限元软件的用户界面输入这两个坐标或者选取这两个端点即可实现梁的模拟线的创建；对于曲梁，同样可以利用有限元建模软件的几何处理功能创建其模拟线；
其中，在步骤5中所述的“将梁的模拟线结合至其所在的面”的方法为：现有的有限元软件一般都具有将点结合至线和将线结合至面的功能或者设置硬点和硬线的功能，这样在网格划分时，软件会自动在指定的点或线上生成节点，因此本步骤可以利用此功能通过用户界面将梁的模拟线结合至其所在的面或者设置其为硬线；
其中，在步骤6中所述的“对所有的面进行缝合”的方法为：现有的有限元软件一般都支持将若干个相邻的面缝合为一个整体，这样两个面相邻的边就会变为共享边，网格划分时就会自动在共享边上生成节点，并且相邻面之间的单元共享节点；因此直接通过有限元软件的曲面缝合功能，选择所有需要划分网格的面，然后进行曲面缝合即可；
其中，在步骤7中所述的“对结构的几何模型划分二维有限元网格”的方法为：现有的有限元软件一般都支持在曲面上划分网格，并且用户只需指定单元类型、网格尺寸并选择需要划分网格的曲面即可实现网格的自动划分。因此直接通过有限元软件的网格划分功能，并指定单元类型为三角形或四边形、给定网格尺寸并选择模型中所有的曲面即可进行网格划分。由于步骤4中已经将所有的曲面缝合为一个整体，因此本步骤中得到的网格将是连续的，相邻面之间的网格为共节点的；
其中，在步骤8中所述的“根据梁的几何信息依次选择其模拟线上的节点创建一维单元”的方法为：现有的有限元软件都支持一维单元的创建功能，因此如果梁的模拟线上有n≥2个节点，则需要创建n-1个一维单元，可以利用软件的单元创建功能按照如下顺序实现每条梁模拟线上一维单元的创建：从模拟线的一端开始，依次选择第1和第2个节点创建一个一维单元，然后选择第2个和第3个节点创建第二个一维单元，直至选择第n-1个和第n个节点创建第n-1个一维单元；对于梁的中心线为封闭曲线的情形，只需要选择其上的一个节点为第一个节点，然后按照上述方法进行即可。由于有限元软件具有创建单元的接口，因此亦可以按照上面的顺序和方法采用二次开发实现自动化处理。
通过以上各步骤，实现了梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成，并且在网格的生成过程中基于卫星结构的三维实体模型而无需专门针对力学分析创建新的模型，生成的网格为连续的且梁与板共享节点，从而无需额外引入刚性连接单元。另外，由于采用批处理实现，因此避免了较高的技巧、大量的时间和烦琐的工作。
3、优点及功效：本发明的有益效果是：提供了一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，通过该方法可以对卫星结构实体模型抽取中面得到的几何进行自动处理，消除面与面之间的间隙并且删除多余的部分，在此基础上进行二维网格划分，得到板壳共节点的二维有限元网格，然后根据面网格的节点可以生成一维单元，从而得到高质量的梁板共节点有限元网格。由于本方法实现自动处理，因此避免了大量的人机交互操作，需要的时间少，通用性强，适用范围广泛。由于方法生成的有限元网格共节点，因此不需要创建额外的刚性连接单元，避免了附加刚度的引入和额外的计算量。另外，由于梁板复合式卫星结构的应用越来越广泛，因此本发明在卫星结构有限元建模中具有很强的工程实用价值。
附图说明
图1.本发明所述方法流程图。
图2.面A与面B所在的平面不相交，且面A上的点与面B的最小距离大于δmax。
图3.面A与面B所在的平面不相交，且面A上的点与面B的最小距离不超过δmax。
图4.面A与面B所在的平面相交。
图5.面B与面A所在的平面不相交，且面B上的点与面A的最小距离大于δmax。
图6.面B与面A所在的平面不相交，且面B上的点与面A的最小距离不超过δmax。
图7.面B与面A所在的平面相交。
图8.延伸面A中需要延伸的边。
图9.延伸面B中需要延伸的边。
图10.利用面B分割面A。
图11.删除A中面积很小的面。
图12.删除B中面积很小的面。
图13.梁的模拟线。
图14.梁板共节点有限元网格。
图中符号说明如下：
i,j分别为两个计数器；
nA,nB分别为面A与面B的法向量；
θAB为nA,nB之间的夹角；
N为模型中需要处理的中面的数目；
NA,NB分别为面A与面B中需要延伸的边的数目；
δmax为计算或给定的距离阈值；
δA为面A中的边需要向面B延伸的长度；
δB为面B中的边需要向面A延伸的长度；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，其中有限元软件采用MSC.SimXpert2012。
本发明一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，见图1所示，它包括以下步骤：
步骤1：将卫星结构的CAD三维设计模型以parasolid中性文件格式导入MSC.SimXpert软件中，然后利用该软件的中面提取功能对所有选择的蜂窝结构板抽取中面；本步骤中使用的中面提取功能的菜单依次为Geometry->Mid-Surface->Automatic，其中在弹出的用户界面中Bodytype选项选择Constantthickness，DeleteSolid选项选中，这样抽取中面后就会自动将原来的三维实体模型删除；
步骤2：获取需要处理的中面集合及其元素数目N：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口函数getPartList使得用户可以在二次开发程序中得到模型中所有的零件列表，由于模型中已经删除了原来的三维实体模型，因此该零件列表元素组成的集合即为需要处理的中面几何，集合中的元素数目即为N；
步骤3：对所有的面对(A,B)进行以下操作：
步骤3.1：计算A和B的法向量之间的夹角θAB:利用MSC.SimXpert软件提供的二次开发接口函数normal分别获得A和B的单位法向量分别为nA＝(nAx,nAy,nAz)和nB＝(nBx,nBy,nBz)，则它们之间夹角的余弦值为cosθAB＝nAxnBx+nAynBy+nAznBz，从而利用初等代数中的反三角函数可以得到两个向量之间夹角为θAB＝arccos(nAxnBx+nAynBy+nAznBz)；
步骤3.2：若10°＜θAB＜170°，则执行步骤3.3至3.10；
步骤3.3：找出A中所有需要向B延伸的边及其数目NA：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口函数getCurves得到一个面中所有的曲线列表，getVerts得到零件中的顶点列表，getCoordinateAtParameter根据曲线给定的自然坐标得到其直角坐标，因此可以利用这些接口函数通过二次开发并按照以下方法实现：1)获取A所有的边EA1,…,EAn和B的一个顶点VB；2)对每条边EAj(j＝1,…,n)，假设其自然坐标表示为Pj(s)(0≤s≤1)，均匀地获取Nj+1个点Pjk＝Pj(k/Nj)(k＝0,1,…,Nj)，其中Nj＝2000；3)取dmax＝-999999,d＝0，然后按照初等解析几何中的公式djk＝nBx(xjk-xB)+nBy(yjk-yB)+nBz(zjk-zB)依次计算每个点Pjk到B的有向距离，若|djk|＞dmax，则dmax＝|djk|,d＝djk；其中(xjk,yjk,zjk)为Pjk在直角坐标系中的坐标，(xB,yB,zB)为VB的坐标，(nBx,nBy,nBz)为B的单位法向量；4)取abd＝999999，对每个点Pjk，若d·djk＞0且|djk|＜abd，则abd＝|djk|；5)若abd＜0.04，
则δmax＝abd+0.01；否则δmax＝0.05；6)NA＝0，对每条边EAj：若对k＝0,1,…,Nj均有|djk|≤δmax，则EAj标记为1，NA＝NA+1；否则EAj标记为0；本步骤的三种可能情形分别如图2，3，4所示，其中图2中面A与面B不相交，但面A上离面B最近的边与面B的距离大于δmax，因此NA＝0；图3中面A与面B不相交且面A上离面B最近的边与面B的距离不超过δmax，因此NA＞0；图4中面A与面B相交，因此没有边需要延伸，NA＝0；
步骤3.4：若NA＞0，则执行步骤3.5至3.6；否则执行步骤3.7至3.10；
步骤3.5：计算A中的边需要向B延伸的长度δA＝δmax/sinθAB，其中δmax的值已经在步骤3.3中得到，θAB的值已经在步骤3.1中得到；
步骤3.6：将A中所有需要向B延伸的边延伸δA，如图5所示：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口ExtendSurfaces使得用户可以将曲面延伸给定的长度，因此可以利用此函数接口通过二次开发将A中所有需要向B延伸的边延伸δA。调用此函数时，method参数的值为ByLength，m_entities_to_extend参数的值为需要延伸的曲线,已经在步骤3.3中得到，m_length参数的值为δA；
步骤3.7：找出B中所有需要向A延伸的边及其数目NB：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口函数getCurves得到一个面中所有的曲线列表，getVerts得到零件中的顶点列表，getCoordinateAtParameter根据曲线给定的自然坐标得到其直角坐标，因此可以利用这些接口函数通过二次开发并按照以下方法实现：1)获取B所有的边EB1,…,EBn和A的一个顶点VA；2)对每条边EBj(j＝1,…,n)假设其自然坐标表示为Pj(s)(0≤s≤1)，均匀地获取Nj+1个点Pjk＝Pj(k/Nj)(k＝0,1,…,Nj，)其中Nj＝2000；3)取dmax＝-999999,d＝0，然后按照初等解析几何中的公式djk＝nAx(xjk-xA)+nAy(yjk-yA)+nAz(zjk-zA)依次计算每个点Pjk到A的有向距离，若|djk|＞dmax，则dmax＝|djk|,d＝djk；其中(xjk,yjk,zjk)为Pjk在直角坐标系中的坐标，(xA,yA,zA)为VA的坐标，(nAx,nAy,nAz)为A的单位法向量；4)取abd＝999999，对每个点Pjk，若d·djk＞0且|djk|＜abd，则abd＝|djk|；5)若abd＜0.04，
则δmax＝abd+0.01；否则δmax＝0.05；6)NB＝0，对每条边EBj：若对k＝1,…,N均有|djk|≤δmax，则EBj标记为1，NB＝NB+1；否则EBj标记为0；本步骤的三种可能情形分别如图6，7，8所示，其中图6中面B与面A不相交，但面B上离面A最近的边与面A的距离大于δmax，因此NB＝0；图7中面B与面A不相交且面B上离面A最近的边与面A的距离不超过δmax，因此NB＞0；图8中面B与面A相交，因此没有边需要延伸，NB＝0；
步骤3.8：若NB＞0，则执行步骤3.7；否则执行步骤3.9；
步骤3.9：计算B中的边需要向A延伸的长度δB＝δmax/sinθAB，其中δmax的值已经在步骤3.7中得到，θAB的值已经在步骤3.1中得到；需要注意的是，虽然本步骤和步骤3.5中均采用了变量δmax，但在步骤3.7中其值已经改变。
步骤3.10：将B中所有需要向A延伸的边延伸δB，如图9所示：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口ExtendSurfaces使得用户可以将曲面延伸给定的长度，因此可以利用此函数接口通过二次开发将B中所有需要向A延伸的边延伸δB。调用此函数时，method参数的值为ByLength，m_entities_to_extend参数的值为需要延伸的曲线,已经在步骤3.7中得到，m_length参数的值为δB；
步骤3.11：利用B分割A，如图10所示：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口TrimSurfaces使得用户可以分割曲面，因此可以利用此函数接口通过二次开发实现利用B分割A。在二次开发接口函数中只需指定分割面为B,被分割面为A即可；
步骤3.12：删除A中面积较小的面，如图11所示：利用MSC.SimXpert软件的二次开发接口函数DeleteObject删除A中面积小于总面积5％的面；
步骤3.13：利用A分割B，如图11所示：MSC.SimXpert软件提供二次开发接口TrimSurfaces使得用户可以分割曲面，因此可以利用此函数接口通过二次开发实现利用A分割B。在二次开发接口函数中只需指定分割面为A,被分割面为B即可；
步骤3.14：删除B中面积较小的面，如图12所示：利用MSC.SimXpert软件的二次开发接口函数DeleteObject删除B中面积小于总面积5％的面；
步骤4：根据梁的几何信息在其所在的面上创建与其中心线平行的模拟线，如图13所示：MSC.SimXpert软件具有曲线或直线创建功能，并且只需给定两个端点的坐标即可实现直线的创建，因此如果梁的模拟线的两个端点坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，则直接通过用户界面输入这两个坐标或者选取这两个端点即可实现梁的模拟线的创建；MSC.SimXpert软件中本步骤使用的直线创建功能菜单依次为Geometry->Curve->FromPoints，其中在弹出的用户界面中Create选项选中Polyline，Methods选项选中2Points,然后选择梁模拟线的两个端点即可；
步骤5：将梁的模拟线结合至其所在的面：在MSC.SimXpert软件中依次点击功能菜单Control->Curves，然后在弹出的用户界面中Surface选择模拟线所在的面，Curves选择模拟线即可实现将梁的模拟线结合至其所在的面；
步骤6：对所有的面进行缝合:MSC.SimXpert软件中本步骤使用的曲面缝合功能的菜单依次为Geometry->Stitch，其中在弹出的用户界面中Allowdisjoint、Treatasmanifold以及ForceStitch选项均选中并选择所有的曲面即可实现缝合的目的；
步骤7：对结构的几何模型划分有限元网格：MSC.SimXpert软件中本步骤使用的网格划分功能的菜单依次为Meshing->Surface，其中在弹出的用户界面中Meshtype选择Mixed，Meshmethod选择Autodecided,给定网格尺寸0.02m并选择所有的曲面即可得到共节点的有限元网格。
步骤8：根据梁的几何信息依次选择其模拟线上的节点创建一维单元，如图14所示：MSC.SimXpert软件支持一维单元的创建功能，因此如果梁的模拟线上有n≥2个节点，则需要创建n-1个一维单元，可以利用软件的单元创建功能按照如下顺序实现每条梁模拟线上一维单元的创建：从模拟线的一端开始，依次选择第1和第2个节点创建一个一维单元，然后选择第2个和第3个节点创建第二个一维单元，直至选择第n-1个和第n个节点创建第n-1个一维单元；对于梁的中心线为封闭曲线的情形，只需要选择其上的一个节点为第一个节点，然后按照上述方法进行即可。由于有限元软件具有创建单元的接口，因此亦可以按照上面的顺序和方法采用二次开发实现自动化处理。MSC.SimXpert软件中创建一维单元的菜单选项为Nodes/Elements->1DGeneral，二次开发接口函数为GENERAL_1D，具体的输入包括单元的两个节点和单元阶次，具体信息可以查看软件的帮助文档。
通过上述各步骤，基于三维设计模型实现了梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成。由于生成的网格为连续的且梁与板共享节点，因此无需额外引入刚性连接单元。另外，由于采用批处理实现，因此避免了较高的技巧、大量的时间和烦琐的工作。

Claims (10)

1.一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：对导入有限元建模软件的卫星结构几何模型提取中面；
步骤2：获取需要处理的中面集合及其元素数目N：
步骤3：对所有的面对(A,B)进行以下操作：
步骤3.1：计算A和B的法向量之间的夹角θAB；
步骤3.2：若10°＜θAB＜170°，则执行步骤3.3至3.10；
步骤3.3：找出A中所有需要向B延伸的边及其数目NA；
步骤3.4：若NA＞0，则执行步骤3.5至3.6；否则执行步骤3.7至3.10；
步骤3.5：计算A中的边需要向B延伸的长度δA；
步骤3.6：将A中所有需要向B延伸的边延伸δA；
步骤3.7：找出B中所有需要向A延伸的边及其数目NB；
步骤3.8：若NB＞0，则执行步骤3.7；否则执行步骤3.9；
步骤3.9：计算B中的边需要向A延伸的长度δB；
步骤3.10：将B中所有需要向A延伸的边延伸δB；
步骤3.11：利用B分割A；
步骤3.12：删除A中面积较小的面；
步骤3.13：利用A分割B；
步骤3.14：删除B中面积较小的面；
步骤4：根据梁的几何信息在其所在的面上创建与其中心线平行的模拟线；
步骤5：将梁的模拟线结合至其所在的面；
步骤6：对所有的面进行缝合；
步骤7：对结构的几何模型划分二维有限元网格；
步骤8：根据梁的几何信息依次选择其模拟线上的节点创建一维单元。
2.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.3中所述的“找出A中所有需要向B延伸的边及其数目NA”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户能开发新的功能，因此利用相关的函数接口通过二次开发并按照以下方法实现：1)获取A所有的边EA1,…,EAn和B的一个顶点VB；2)对每条边EAj(j＝1,…,n)，假设其自然坐标表示为Pj(s)(0≤s≤1)，均匀地获取Nj+1个点Pjk＝Pj(k/Nj)(k＝0,1,…,Nj)，其中Nj≥1000；3)取dmax＝-999999,d＝0，然后按照初等解析几何中的公式djk＝nBx(xjk-xB)+nBy(yjk-yB)+nBz(zjk-zB)依次计算每个点Pjk到B的有向距离，若|djk|＞dmax，则dmax＝|djk|,d＝djk；其中(xjk,yjk,zjk)为Pjk在直角坐标系中的坐标，(xB,yB,zB)为VB的坐标，(nBx,nBy,nBz)为B的单位法向量；4)取abd＝999999，对每个点Pjk，若d·djk＞0且|djk|＜abd，则abd＝|djk|；5)若abd＜0.04，则δmax＝abd+0.01；否则δmax＝0.05；6)NA＝0，对每条边EAj：若对k＝0,1,…,Nj均有|djk|≤δmax，则EAj标记为1，NA＝NA+1；否则EAj标记为0；在本步骤中获取A所有的边和B的顶点均通过软件的接口实现，并且在有限元软件中边或曲线一般会采用自然坐标进行表示，给定其自然坐标后通过接口得到其在直角坐标系下的坐标表示；本步骤中所需要的二次开发接口函数通过查询有限元软件的相关帮助文档得到。
3.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.5中所述的“计算A中的边需要向B延伸的长度δA”的方法为：δA＝δmax/sinθAB，其中δmax的值已经在步骤3.3中得到，θAB的值已经在步骤3.1中得到。
4.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.6中所述的“将A中所有需要向B延伸的边延伸δA”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户能开发新的功能，因此利用相关的函数接口通过二次开发将A中所有需要向B延伸的边延伸δA；对一个面中的各条边进行延伸所需要的二次开发接口函数通过查询有限元软件的相关帮助文档得到。
5.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.7中所述的“找出B中所有需要向A延伸的边及其数目NB”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户能开发新的功能，因此利用相关的函数接口通过二次开发并按照以下方法实现：1)获取B所有的边EB1,…,EBn和A的一个顶点VA；2)对每条边EBj(j＝1,…,n)假设其自然坐标表示为Pj(s)(0≤s≤1)，均匀地获取Nj+1个点Pjk＝Pj(k/Nj)(k＝0,1,…,Nj)，其中Nj≥1000；
3)取dmax＝-999999,d＝0，
然后按照初等解析几何中的公式djk＝nAx(xjk-xA)+nAy(yjk-yA)+nAz(zjk-zA)依次计算每个点Pjk到A的有向距离，若|djk|＞dmax，则dmax＝|djk|,d＝djk；其中(xjk,yjk,zjk)为Pjk在直角坐标系中的坐标，(xA,yA,zA)为VA的坐标，(nAx,nAy,nAz)为A的单位法向量；4)取abd＝999999，对每个点Pjk，若d·djk＞0且|djk|＜abd，则abd＝|djk|；5)若abd＜0.04，
则δmax＝abd+0.01；否则δmax＝0.05；6)NB＝0，对每条边EBj：若对k＝1,…,N均有|djk|≤δmax，则EBj标记为1，NB＝NB+1；否则EBj标记为0；在本步骤中获取B所有的边和A的顶点均通过软件的接口实现，并且在有限元软件中边及曲线一般会采用自然坐标进行表示，给定其自然坐标后通过接口得到其在直角坐标系下的坐标表示；本步骤中所需要的二次开发接口函数通过查询有限元软件的相关帮助文档得到。
6.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.9中所述的“计算B中的边需要向A延伸的长度δB”的方法为：δB＝δmax/sinθAB，其中δmax的值已经在步骤3.7中得到，θAB的值已经在步骤3.1中得到；需要注意的是，虽然本步骤和步骤3.5中均采用了变量δmax，但在步骤3.7中其值已经改变。
7.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.10中所述的“将B中所有需要向A延伸的边延伸δB”的方法为：现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户能开发新的功能，因此利用相关的函数接口通过二次开发将B中所有需要向A延伸的边延伸δB；对一个面中的各条边进行延伸所需要的二次开发接口函数通过查询有限元软件的相关帮助文档得到。
8.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.12中所述的“删除A中面积较小的面”的方法为：利用有限元软件的二次开发接口得到A中每个面的面积，这样通过简单的加法计算A中所有面的总面积；如果某个面的面积与总面积之比小于给定的阈值γ，则利用二次开发接口函数将其删除。
9.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤3.14中所述的“删除B中面积较小的面”的方法为：利用有限元软件的二次开发接口得到B中每个面的面积，这样通过简单的加法计算B中所有面的总面积；如果某个面的面积与总面积之比小于给定的阈值γ，则利用二次开发接口函数将其删除。
10.根据权利要求1所述的一种梁板复合式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于：在步骤8中所述的“根据梁的几何信息依次选择其模拟线上的节点创建一维单元”的方法为：现有的有限元软件都支持一维单元的创建功能，因此如果梁的模拟线上有n≥2个节点，则需要创建n-1个一维单元，利用软件的单元创建功能按照如下顺序实现每条梁模拟线上一维单元的创建：从模拟线的一端开始，依次选择第1和第2个节点创建一个一维单元，然后选择第2个和第3个节点创建第二个一维单元，直至选择第n-1个和第n个节点创建第n-1个一维单元；对于梁的中心线为封闭曲线的情形，只需要选择其上的一个节点为第一个节点，然后按照上述方法进行即可；由于有限元软件具有创建单元的接口，因此亦能按照上面的顺序和方法采用二次开发实现自动化处理。
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