CN107563102A - 一种承载结构的传力骨架可视化方法 - Google Patents

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吴凤和
王朝华
李永欣
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Abstract

本发明公开了一种承载结构的传力骨架可视化方法，该方法首先基于有限元理论求解结构的应变能值，然后依次固定各节点并求解边界条件变化后结构的应变能值，以边界条件变化前后应变能值的差值构建各节点与载荷点的刚度关系，得到各任意节点的应变能系数，该系数能够反应受力点与任意节点的刚度关系，根据应变能系数云图拟合传力路线，即结构的传力骨架。本发明以有限元理论为基础，根据理论推导及数值分析拟合出传力路径，能够准确便捷地实现承载结构中传力骨架的可视化，可为实体结构的改进及优化提供参考。

Description

一种承载结构的传力骨架可视化方法
技术领域
本发明属于工程结构优化设计领域，涉及一种承载结构的传力骨架可视化方法。
背景技术
在航天航空、汽车、船舶等领域，对装备的轻量化与高承载性等要求越来越显著，对零件在实际工作中的“全局高刚度”要求也越来越高，获取结构的传力骨架成为国内外的研究热点。目前，针对实体结构传力骨架的可视化方法，普遍采用已在仿真软件中集成的有限元分析法，通过得到的应力云图来拟合传力骨架，但复杂特征的应力集中常常导致获取的传力骨架不合理；此外，拓扑优化技术近二十年得到了快速发展，其主要优势是在结构拓扑关系未知的情况下对材料进行空间的重新分配，但由于优化过程中结构的边界形状会发生改变、设计变量难以定量描述以及设计区域预先未知等因素导致传力骨架的求解难度大大增加，且同一结构在不同的优化数学模型下得到的传力骨架不一致，在一定程度上限制了传力骨架可视化的准确性。因此，需要探索更加有效的思路来解决这些问题。
发明内容
本发明的目的在于克服了有限元分析、拓扑优化等现有技术的不足，提供一种承载结构的传力骨架可视化方法，该方法可操作性强、能够准确获取力在结构中的传递路线。
为了解决上述存在的技术问题实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种承载结构的传力骨架可视化方法，该方法内容包括如下步骤：
(1)使用三维CAD软件建立结构模型，导入有限元分析软件ANSYS APDL中，施加载荷和边界条件，建立有限元模型；
(2)提交计算，完成静力分析，读取受力节点的位移di，根据式(1)计算出整体结构的应变能U，
其中n为施加载荷的节点总数，Fi为受力节点i被施加的力，di为受力节点i产生的位移；
(3)保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，提交计算，完成静力分析；读取此时受力节点的位移di'，根据式(2)计算出整体结构的应变能Uj'，其中n为施加载荷的节点总数，不断改变固定的节点号，直到所有节点都被依次固定，得到一组应变能值U'；
(4)根据式(3)计算步骤(3)各节点的应变能系数将各节点的坐标及应变能系数值写入TXT或DAT格式文本中，保存；
(5)将步骤(4)得到的文本载入TECPLOT中，显示应变能系数U*云图及等值线，该等值线又称等刚度线，拟合出等值线的脊线，就是结构的传力骨架。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种承载结构的传力骨架可视化方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明以有限元理论为基础，根据理论推导及数值分析拟合出传力路径，能够准确便捷地实现承载结构中传力骨架的可视化，可为实体结构的改进及优化提供参考。
本发明方法可操作性强、能够准确获取力在结构中的传递路线，可有效地避免有限元分析产生应力集中导致传力路线不合理、拓扑优化过程中设计变量难以定量描述等因素导致传力骨架求解难度大大增加等缺陷，为设计出具有“全局高刚度”的零件提供技术支持。
附图说明
图1为本发明的计算框图；
图2为本发明的计算流程图；
图3(a)为实施例的几何模型图，图3(b)为实施例的有限元模型图；
图4为固定节点j后的有限元模型图；
图5(a)为应变能系数云图，图5(b)为等刚度线图示，图5(c)为拟合的传力骨架图示，图5(d)为以最小质量为目标，以最大刚度为约束的拓扑优化结果图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明：
本发明提供的一种承载结构的传力骨架可视化方法，其计算框图如图1所示。首先基于有限元理论求解结构的应变能值，然后依次固定各节点并求解边界条件变化后结构的应变能值，以此构建各节点与载荷点的刚度关系，得到各任意节点的应变能系数，根据云图拟合传力路线，即结构的传力骨架。
参见图2，所述方法具体内容包括如下步骤：
(1)使用三维CAD软件建立结构模型，导入有限元分析软件ANSYS APDL中，设置材料属性参数，划分单元并添加边界条件，建立有限元模型；
(2)在ANSYS APDL中，提交计算，完成静力分析，读取受力节点的位移di，根据式(1)计算出整体结构的应变能U，
其中n为施加载荷的节点总数，Fi为受力节点i被施加的力，di为受力节点i产生的位移；
(3)在ANSYSAPDL中，保持原有边界条件不变，依次固定任意节点j，提交计算，完成静力分析，读取此时受力节点的位移di'，根据式(2)计算出整体结构的应变能Uj'，其中n为施加载荷的节点总数，不断改变固定的节点号，直到所有节点都被依次固定，得到一组应变能值U'；
(4)根据式(3)计算步骤(3)各节点的应变能系数 即为该节点与受力点间的刚度关系，在ANSYS APDL中将各节点的坐标及应变能系数值写入USTAR.TXT/DAT文件中，保存；
(5)将USTAR.TXT/DAT文件导入TECPLOT中，显示应变能系数U*云图及等值线(该等值线又称等刚度线)，拟合出等值线的脊线，就是结构的传力骨架。
实施例
以左端固定，右端下边界点受集中力载荷的矩形板为例，如图3中(a)所示，介绍本方法的具体实施步骤。
(1)建立该结构的有限元模型。首先在软件Solidworks中绘制矩形板三维结构如图3中的(a)，矩形板尺寸设置为20mm*10mm*2mm；然后在ANSYS APDL中，有限单元类型选plane182单元，单元尺寸为1mm；设置各单元材料属性，其中弹性模量设置为210Gpa，泊松比设置为0.3。将模型左端上下边界节点自由度全部约束，右端下边界节点(节点号为2)施加竖直向下50N的集中力，如图3中的(b)所示，对模型进行求解；
(2)计算结构总应变能U。根据步骤1的计算结果，在ANSYSAPDL中提取节点2的位移d2，根据式(1)计算结构应变能U；
(3)改变边界条件，计算结构总应变能U'。在ANSYSAPDL中进入/SOLU模块，在保持原有边界条件不变的情况下，将节点j的自由度全部约束，如图4所示，对模型进行求解；与步骤2类似，提取此时节点2的位移d'2，根据式(2)计算节点j固定约束后结构的应变能Uj'；依次更改节点j，直到所有的节点都被计算，得到一组应变能值{Uj'}；
(4)计算结构应变能系数根据步骤2、步骤3得到的应变能值，利用式(3)计算各节点处的应变能系数同时，在ANSYS APDL中提取各节点的坐标值，并与一一对应，写入USTAR.DAT文件中；
(5)拟合传力骨架。首先将USTAR.DAT文本载入TECPLOT中，显示应变能系数U*云图(如图5中的(a)所示)及等值线(如图5中的(b)所示)；根据等值线的分布拟合出其脊线，就是结构的传力路线，即传力骨架如图5中的(c)所示。将该传力骨架与相同工况下的拓扑优化结果进行对比，如图5中的(d)所示，可知两条传力骨架基本相同，表明该方法适用于承载结构的可视化。

Claims (1)

1.一种承载结构的传力骨架可视化方法，其特征在于：该方法内容包括如下步骤：
(1)使用三维CAD软件建立结构模型，导入有限元分析软件ANSYS APDL中，施加载荷和边界条件，建立有限元模型；
(2)提交计算，完成静力分析，读取受力节点的位移di，根据式(1)计算出整体结构的应变能U，
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其中n为施加载荷的节点总数，Fi为受力节点i被施加的力，di为受力节点i产生的位移；
(3)保持原有载荷和边界条件不变，依次固定任意节点j，提交计算，完成静力分析；读取此时受力节点的位移di'，根据式(2)计算出整体结构的应变能Uj'，其中n为施加载荷的节点总数，不断改变固定的节点号，直到所有节点都被依次固定，得到一组应变能值U'；
<mrow> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>j</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>...</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
(4)根据式(3)计算步骤(3)各节点的应变能系数将各节点的坐标及应变能系数值写入TXT或DAT格式文本中，保存；
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(5)将步骤(4)得到的文本载入TECPLOT中，显示应变能系数U*云图及等值线，该等值线又称等刚度线，拟合出等值线的脊线，就是结构的传力骨架。
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