CN106484993A - 整体叶轮循环对称网格自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶轮循环对称网格自动生成方法，用于对整体叶轮的循环对称段进行有限元六面体三维实体单元网格生成，整体叶轮包括叶片和轮盘，该整体叶轮循环对称网格自动生成方法包括步骤：生成叶片的叶片六面体有限元网格；根据叶片六面体有限元网格，生成叶片的直纹曲面；构建轮盘的轮盘二维几何造型，并根据构建的轮盘二维几何造型生成轮盘二维有限元网格；将轮盘二维有限元网格映射到直纹曲面上以形成直纹面二维网格；根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元。本发明实现了从几何造型到网格自动生成流程的自动化，且精度和效率高，易于在有限元结构优化设计中得到应用。

Description

整体叶轮循环对称网格自动生成方法

技术领域

本发明涉及有限元网格生成领域，特别地，涉及一种整体叶轮循环对称网格自动生成方法。

背景技术

在进行叶轮有限元结构分析时需对叶轮进行有限元网格的划分，现有技术中对叶轮循环对称有限元网格的划分，仅能进行四节点或十节点四面体网格(如图1所示)的三维有限元自动划分，其中，生成四面体单元的步骤包括：①、生成整体叶轮的实体造型；②、截取整体叶轮的实体造型的循环对称段；③、对循环对称段进行网格划分。因此，现有技术中生成的四面体单元精度较低、步骤较多、工作量大、效率低，难以实现从几何造型到网格自动生成流程的自动化，故难以在优化设计中应用。所以为了提高分析效率以及进行优化设计，希望直接针对叶片造型获得叶形数据，通过对少量的控制参数的控制来自动生成有限元网格。由于二十节点的六面体三维实体单元的精度较高，因此希望将其划分为二十节点的三维实体单元，但现有技术中还不能根据整体叶轮生成二十节点的六面体三维实体单元。

因此，现有技术中不能生成整体叶轮的循环对称段的有限元六面体三维实体单元网格，是一件亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种整体叶轮循环对称网格自动生成方法，以解现有技术中不能生成整体叶轮的循环对称段的有限元六面体三维实体单元网格的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种整体叶轮循环对称网格自动生成方法，用于对整体叶轮的循环对称段进行有限元六面体三维实体单元网格生成，整体叶轮包括叶片和轮盘，该整体叶轮循环对称网格自动生成方法包括步骤：

生成叶片的叶片六面体有限元网格；

根据叶片六面体有限元网格，生成叶片的直纹曲面；

构建轮盘的轮盘二维几何造型，并根据构建的轮盘二维几何造型生成轮盘二维有限元网格；

将轮盘二维有限元网格映射到直纹曲面上以形成直纹面二维网格；

根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元。

进一步地，根据叶片六面体有限元网格，生成叶片的直纹曲面的步骤包括：

根据叶片六面体有限元网格，拟合叶片的叶根样条曲线；

根据叶根样条曲线，生成叶片的直纹曲面。

进一步地，根据叶片六面体有限元网格，拟合叶片的叶根样条曲线的步骤包括：

获取叶片六面体有限元网格中的叶根中点；

沿叶宽方向等距离选取并连接叶根中点，生成叶片的叶根样条曲线。

进一步地，根据叶根样条曲线，生成叶片的直纹曲面的步骤包括：

对叶根样条曲线沿轮盘的轴向方向延伸；

等距离选取延伸后的叶根样条曲线上的样条曲线点；

过样条曲线点分别作垂直于X轴的直线以在延伸后的叶根样条曲线和X轴之间形成直纹曲面。

进一步地，对叶根样条曲线沿轮盘的轴向方向延伸的步骤包括：

保持叶根样条曲线两端点处的半径不变，顺着叶根样条曲线原有的弯曲方向往X轴的两端延伸，使延伸后的叶根样条曲线覆盖整个轮盘的整个区域。

进一步地，过样条曲线点分别作垂直于X轴的直线以在延伸后的叶根样条曲线和X轴之间形成直纹曲面的步骤包括：

循环扫描二维有限元网格的有限元节点和叶根样条曲线的样条曲线点，确定有限元节点是否落在直纹曲面对应的三角形内，若有限元节点落在直纹曲面对应的三角形内，则根据三角形的三个顶点的坐标值插值计算有限元节点的周向坐标。

进一步地，根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤包括：

以事先设定的周向角度对直纹面二维网格进行周向复制循环，生成整体叶轮的二十节点六面体单元。

进一步地，根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤还包括：

将直纹面二维网格中的所有节点坐标绕X轴旋转复制设定的周向角度，获取二十节点六面体单元上的网格节点，并周向循环生成与网格节点相对应的单元节点编号。

进一步地，根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤还包括：

根据样条曲线点的坐标，调整与样条曲线点相对应的有限元节点的坐标，使有限元节点的坐标与对应的样条曲线点的坐标相等。

进一步地，根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元的还步骤包括：

加入叶片六面体有限元网格，消除叶根重复节点的多余节点号，并删除未连单元的网格节点，对网格节点按循序重新编号。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，首先通过对叶轮的实体造型进行分析，分别生成叶片六面体有限元网格和轮盘二维有限元网格；然后根据叶片六面体有限元网格生成直纹曲面，将轮盘二维有限元网格映射到直纹曲面上形成直纹面二维网格；再根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元，解决了现有技术中不能生成整体叶轮的循环对称段的有限元六面体三维实体单元网格的技术问题。本发明实现了从几何造型到网格自动生成流程的自动化，且精度和效率高，易于在有限元结构优化设计中得到应用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中生成的十节点四面体网格的结构示意图；

图2是压气机轴流叶盘的结构示意图；

图3是离心叶轮的结构示意图；

图4是离心叶轮的循环对称段的结构示意图；

图5是本发明整体叶轮循环对称网格自动生成方法的第一实施例的流程示意图；

图6是本发明叶片六面体有限元网格的结构示意图；

图7是本发明轮盘二维几何模型的结构示意图；

图8是本发明轮盘二维有限元网格的结构示意图；

图9是本发明叶根样条曲线的结构示意图；

图10是本发明叶根样条曲线延伸时的结构示意图；

图11是本发明直纹曲面的平面结构示意图；

图12是本发明直纹曲面的立体结构示意图；

图13是本发明有限元节点落入直纹曲面的立体结构示意图；

图14是本发明生成的二十节点六面体单元的结构示意图；

图15是图5中根据叶片六面体有限元网格，生成叶片的直纹曲面的步骤的细化流程示意图；

图16是图15中根据叶片六面体有限元网格，拟合叶片的叶根样条曲线的步骤的细化流程示意图；

图17是图15中根据叶根样条曲线，生成叶片的直纹曲面的步骤的细化流程示意图。

附图标号说明：

10、叶片、11、大叶片；12、小叶片；20、轮盘；30、边界面；40、轮缘；50、叶根中点；60、样条曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图5，本发明的优选实施例提供了一种整体叶轮循环对称网格自动生成方法，用于对整体叶轮的循环对称段进行有限元六面体三维实体单元网格生成，该整体叶轮可以为轴流风扇叶盘、压气机叶盘、离心叶轮、斜流叶轮、轴流涡流叶盘等，如图2至图4所示，整体叶轮包括叶片10和轮盘20，轮盘20与叶片10相连的一端设有轮缘40，轮缘40与叶片10之间通过边界面30相连，叶片10包括大叶片11和小叶片12，该整体叶轮循环对称网格自动生成方法包括步骤：

步骤S100、生成叶片的叶片六面体有限元网格。

如图6所示，根据整体叶轮的循环对称段中的叶片的实体造型，生成叶片六面体有限元网格，假设沿叶片宽度方向总单元数为Nx。

步骤S200、根据叶片六面体有限元网格，生成叶片的直纹曲面。

如图9所示，沿叶片六面体有限元网格的叶宽方向等距离选取叶片六面体有限元网格的叶根中点50，并将选取的叶根中点50连接在一起构成叶根样条曲线60；如图10所示，并顺着叶根样条曲线Lg的弯曲度以叶根样条曲线60的两端点为起点分别向两端轴向方向延伸，以覆盖整个轮盘区域；在样条曲线上60等距离取Np个点(为了保证曲面光滑度，建议Np>100)作为样条曲线节点，并分别过这Np个点作垂直于X轴的直线，如图11和图12所示，从而在延伸后的叶根样条曲线60和X轴之间形成叶片的直纹曲面。

步骤S300、构建轮盘的轮盘二维几何造型，并根据构建的轮盘二维几何造型生成轮盘二维有限元网格。

如图7所示，构建轮盘的轮盘二维几何造型，并设置轮盘二维几何造型的圆柱坐标系，其中，x、r和t三个坐标分别表示圆柱坐标系的轴向、径向和周向坐标。如图8所示，根据构建的轮盘二维几何造型，采用现有的“铺路”法或“分割”法，生成轮盘二维有限元网格。设置轮盘二维有限元网格中的二维有限元网格节点，其中，二维有限元网格节点的总节点数设置为N2d，节点x坐标记为X_d，最小x坐标为X_dmin，最大x坐标为X_dmax。

步骤S400、将轮盘二维有限元网格映射到直纹曲面上以形成直纹面二维网格；

循环扫描二维有限元网格的有限元节点和叶根样条曲线的样条曲线点，确定二维有限元网格节点是否全部落在对应的直纹曲面上，若有限元节点落在直纹曲面对应的三角形内，则根据三角形的三个顶点的坐标值插值计算有限元节点的周向坐标，从而将整个有限元网格映射到直纹曲线上，形成直纹面二维网格。具体如附图13所示，确定i二维有限元网格节点是否落在直纹曲面上的三角形△abd内，若是，则根据a、b、d三个项点的坐标值插值计算i二维有限元网格节点的周向坐标，然后再对样条曲线点进行循环扫描，则此时i二维有限元网格节点便近似地落在直纹曲面上；若否，则进一步确定i二维有限元网格节点是否落在直纹曲面上的三角形△bcd内，若是，则根据b、c、d三个项点的坐标值插值计算i二维有限元网格节点的周向坐标，然后再对样条曲线点进行循环扫描，则此时i二维有限元网格节点便近似地落在直纹曲面上。再对i二维有限元网格节点进行二维有限元网格节点循环扫描，至此x-r平面上的整个轮盘二维有限元网格映射到直纹曲面上。

步骤S500、根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元。

如图14所示，按事先设定的周向旋转角度对直纹面二维网格进行周向复制循环，生成整体叶轮的二十节点六面体单元。其中，事先设定的周向旋转角度通过计算得出，设叶片组数为Nb，每组叶片数为Nc，则扇区角度为：ALPHA1＝360/(N_b×N_c)。设叶片厚度方向网格数为Mh，从循环对称边界面到叶根轮盘沿周向划分的单元数为Md，则叶盘沿周向总单元数为：

Mt＝Nb(Mh+2Md) (1)

设叶根平均厚度为Hp，其扫过的周向角度为ALPHA2，则循环对称边界面到叶根轮盘沿周向每个单元划分扫过的周向角度为：

ALPHA3＝(ALPHA3-ALPHA2)/Md (2)

然后对直纹面2D网格周向复制循环，具体如下所示；

对于非叶根相接区旋转角度取；

Alpha＝Alpha+0.5*Alpha3；

对于叶根相接区旋转角度取；

Alpha＝Alpha+0.5*Alpha2/Mh；

将直纹曲面的网格所有节点坐标绕转轴x旋转复制Alpha角度，节点号按顺序递增；由此获得2*Mt+1层网格节点，周向循环行成单元号，按图14的方式根据各层节点对应生成单元节点编号，并计入。

根据样条曲线点的坐标，调整与样条曲线点相对应的有限元节点的坐标，使有限元节点的坐标与对应的样条曲线点的坐标相等。

加入叶片六面体有限元网格，消除叶根重复节点的多余节点号，并删除未连单元的网格节点，对网格节点按循序重新编号，从而降低计算机资源的需求，节省存储空间。

本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，首先通过对叶轮的实体造型进行分析，分别生成叶片六面体有限元网格和轮盘二维有限元网格；然后根据叶片六面体有限元网格生成直纹曲面，将轮盘二维有限元网格映射到直纹曲面上形成直纹面二维网格；再根据直纹面二维网格，生成整体叶轮的二十节点六面体单元，解决了现有技术中不能生成整体叶轮的循环对称段的有限元六面体三维实体单元网格的技术问题。本发明实现了从几何造型到网格自动生成流程的自动化，且精度和效率高，易于在有限元结构优化设计中得到应用。

优选地，如图15所示，本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，在第一实施例的基础上，步骤S200包括：

步骤S210、根据叶片六面体有限元网格，拟合叶片的叶根样条曲线。

参见图9，沿叶片六面体有限元网格的叶宽方向等距离选取N_S个叶根中点，并将选取的叶根中点连接在一起以拟合叶根样条曲线Lg。

步骤S220、根据叶根样条曲线，生成叶片的直纹曲面。

参见图10，顺着叶根样条曲线Lg的弯曲度以叶根样条曲线Lg的两端点为起点分别向叶根样条曲线两端的轴向方向延伸，以覆盖整个轮盘区域；在样条曲线上Lg的轴向方向上从左往右等距离选取Np个点(为了保证曲面光滑度，建议Np>100)作为样条曲线节点，并分别过这Np个样条曲线节点作垂直于X轴的直线，如图11和图12所示，从而在延伸后的叶根样条曲线Lg和X轴之间形成叶片的直纹曲面。

本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，根据叶片六面体有限元网格，拟合叶片的叶根样条曲线；根据叶根样条曲线，生成叶片的直纹曲面，并最终根据生成的直纹曲面，生成整体叶轮的二十节点六面体单元。从而解决了现有技术中不能生成整体叶轮的循环对称段的有限元六面体三维实体单元网格的技术问题。本发明实现了从几何造型到网格自动生成流程的自动化，且生成的二十节点六面体单元精度和效率高，易于在有限元结构优化设计中得到应用。

优选地，如图16所示，本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，在上一实施例的基础上，步骤S210包括：

步骤S211、获取叶片六面体有限元网格中的叶根中点。

对整体叶轮的循环对称段中的叶片的实体造型进行分析，生成与实体造型相映射的叶片六面体有限元网格，并相应获取叶片六面体有限元网格中的所有叶根中点。

步骤S212、沿叶宽方向等距离选取并连接叶根中点，生成叶片的叶根样条曲线。

参见图9，顺着叶片六面体有限元网格的叶宽方向，在片六面体有限元网格上等距离选取NS个叶根中点，并将选取的叶根中点连接在一起，生成叶根样条曲线Lg。

本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，通过获取叶片六面体有限元网格中的叶根中点，沿叶宽方向等距离选取并连接叶根中点，生成叶片的叶根样条曲线，从而实现了从几何造型到网格自动生成流程的自动化，且生成的二十节点六面体单元精度和效率高，易于在有限元结构优化设计中得到应用。

优选地，如图17所示，本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，在上述实施例的基础上，步骤S220包括：

步骤S221、对叶根样条曲线沿轮盘的轴向方向延伸。

设轮盘最小x坐标和最大x坐标分别为Xmin和Xmax，在曲线的两个端点分别保持半径不变，顺着叶根样条曲线原有方向往-x和+x方向延伸，直至分别等于Xmin和Xmax。如图10所示，离心叶轮或斜流叶轮出口处轮盘半径大于叶片的半径，此时应将叶根样条曲线顺着切线往上延伸直至叶根样条曲线的最大半径大于或等于轮盘的最大半径，这样就可覆盖整个轮盘区域。

步骤S222、等距离选取延伸后的叶根样条曲线上的样条曲线点。

如图11和图12所示，在叶根样条曲线Lg上等距离取Np(为了保证曲面光滑建议Np>100)个样条曲线点，从叶轮的进口处开始编号，轴向坐标分别为：X₁，X₂，……，X_i，……，X_NP。

步骤S223、过样条曲线点分别作垂直于X轴的直线以在延伸后的叶根样条曲线和X轴之间形成直纹曲面。

过样条曲线点作垂直于X轴的直线，与X轴交点的X坐标分别为：U₁，U₂，……，U_i，……，U_NP。X轴上的点与样条曲线上的相应点的连线即为直纹线。Lg在x轴投影的长度为L_X＝X_NP-X₁。设在X轴上第i+1点与第i点的轴向距离为L_X＝X_NP-X₁,当ΔU<a＝b×Lx/(N_p-1)时，(0<b<1)，取U_i+1＝U_i+a，以避免重合点的出现。

本实施例提供的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，对叶根样条曲线沿轮盘的轴向方向延伸；过样条曲线点分别作垂直于X轴的直线以在延伸后的叶根样条曲线和X轴之间形成直纹曲面，以将整个有限元网格映射到直纹曲线上，从而实现了从几何造型到网格自动生成流程的自动化，且生成的二十节点六面体单元精度和效率高，易于在有限元结构优化设计中得到应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种整体叶轮循环对称网格自动生成方法，用于对整体叶轮的循环对称段进行有限元六面体三维实体单元网格生成，所述整体叶轮包括叶片和轮盘，其特征在于，所述整体叶轮循环对称网格自动生成方法包括步骤：

生成所述叶片的叶片六面体有限元网格；

根据所述叶片六面体有限元网格，生成所述叶片的直纹曲面；

构建所述轮盘的轮盘二维几何造型，并根据构建的所述轮盘二维几何造型生成轮盘二维有限元网格；

将所述轮盘二维有限元网格映射到所述直纹曲面上以形成直纹面二维网格；

根据所述直纹面二维网格，生成所述整体叶轮的二十节点六面体单元。

2.根据权利要求1所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述叶片六面体有限元网格，生成所述叶片的直纹曲面的步骤包括：

根据所述叶片六面体有限元网格，拟合所述叶片的叶根样条曲线；

根据所述叶根样条曲线，生成所述叶片的直纹曲面。

3.根据权利要求2所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述叶片六面体有限元网格，拟合所述叶片的叶根样条曲线的步骤包括：

获取所述叶片六面体有限元网格中的叶根中点；

沿叶宽方向等距离选取并连接所述叶根中点，生成所述叶片的叶根样条曲线。

4.根据权利要求2所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述叶根样条曲线，生成所述叶片的直纹曲面的步骤包括：

对所述叶根样条曲线沿所述轮盘的轴向方向延伸；

等距离选取延伸后的所述叶根样条曲线上的样条曲线点；

过所述样条曲线点分别作垂直于X轴的直线以在延伸后的所述叶根样条曲线和所述X轴之间形成直纹曲面。

5.根据权利要求4所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述对所述叶根样条曲线沿所述轮盘的轴向方向延伸的步骤包括：

保持所述叶根样条曲线两端点处的半径不变，顺着所述叶根样条曲线原有的弯曲方向往X轴的两端延伸，使延伸后的所述叶根样条曲线覆盖整个所述轮盘的整个区域。

6.根据权利要求4所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述过所述样条曲线点分别作垂直于X轴的直线以在延伸后的所述叶根样条曲线和所述X轴之间形成直纹曲面的步骤包括：

循环扫描所述二维有限元网格的有限元节点和所述叶根样条曲线的样条曲线点，确定所述有限元节点是否落在所述直纹曲面对应的三角形内，若所述有限元节点落在所述直纹曲面对应的三角形内，则根据所述三角形的三个顶点的坐标值插值计算所述有限元节点的周向坐标。

7.根据权利要求6所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述直纹面二维网格，生成所述整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤包括：

以事先设定的周向角度对所述直纹面二维网格进行周向复制循环，生成所述整体叶轮的二十节点六面体单元。

8.根据权利要求7所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述直纹面二维网格，生成所述整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤还包括：

将所述直纹面二维网格中的所有节点坐标绕X轴旋转复制设定的周向角度，获取所述二十节点六面体单元上的网格节点，并周向循环生成与所述网格节点相对应的单元节点编号。

9.根据权利要求8所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述直纹面二维网格，生成所述整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤还包括：

根据所述样条曲线点的坐标，调整与所述样条曲线点相对应的所述有限元节点的坐标，使所述有限元节点的坐标与对应的所述样条曲线点的坐标相等。

10.根据权利要求9所述的整体叶轮循环对称网格自动生成方法，其特征在于，

所述根据所述直纹面二维网格，生成所述整体叶轮的二十节点六面体单元的步骤还包括：

加入所述叶片六面体有限元网格，消除叶根重复节点的多余节点号，并删除未连单元的所述网格节点，对所述网格节点按循序重新编号。