CN109101671A - 一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法 - Google Patents

Abstract

一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法，它包括以下步骤：步骤1：导入结构实体模型；步骤2：分解结构；步骤3：统计结构棱边数E和面数F；步骤4：对所有子结构计算点阵结构布局；步骤5：建立面内单元；步骤6：对所有杆件判定是否建立并建立杆上单元；步骤7：单元联结；步骤8：模型检查；通过以上各步骤，建立了共节点的杆、梁与壳单元，避免了刚性连接和多余约束，实现了变密度与变构型三维点阵结构有限元建模。该方法摆脱了几何模型的约束，避免了几何模型精度带来的建模失败的问题。同时减少了人为操作，提高了建模效率，适用性广，具有较高的工程实用性。

Description

一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法

技术领域：

本发明涉及一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法，属于机械结构设计与分析的技术领域。

背景技术：

作为航空、航天、汽车、医疗等多个领域的新型结构类型，类桁架式点阵结构因其轻质、高比刚度、高比强度的机械特性，减震、吸能等功能特征而受到广泛关注与应用。三维点阵结构通常采用先建立三维几何模型，再由几何模型生成有限元模型，但由于几何模型精度问题，经常出现有限元模型存在缺陷甚至无法建立的问题。另一方面，工程实际中对点阵结构的设计自由度需求不断提高，经常同一个结构中存在有不同密度与构型的点阵结构，变密度与变构型点阵结构连接成为有限元模型建立中必须考虑的问题，现有方法中采用刚性联结的方式连接非共节点单元，但该方法额外引入了刚性连接单点，增加了人工操作量与模型计算量，工程中希望实现点阵结构共节点有限元模型的自动建立。

发明内容：

为了实现变密度与变构型三维点阵结构建模方法，本发明的目的是提供一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法，通过该方法可以解决几何模型精度不足导致三维点阵结构有限元建模失效甚至失败的问题，同时避免引入额外的刚性连接，实现变密度与变构型的三维点阵结构有限元单元共节点连接。采用批处理方式，减少人工操作量并提高建模效率。

本发明一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法，解决其技术问题所采用的技术方案是：

它包括以下步骤：

步骤1：导入结构实体模型；

步骤2：分解结构；通过几何分解方法将结构分为多个子结构。

步骤3：统计结构棱边数E和面数F；

步骤4：对所有子结构S_i计算点阵结构布局；通过遍历方法统计子结构数量N_sub，通过人机交互方法确定各子结构点阵结构胞元构型与密度，计算点阵结构杆件分布。

步骤5：建立面内单元；遍历结构的所有面，根据面上的胞元分布，建立面上壳单元。若面上的包括多组胞元分布数据，则只建立单元数量多的一组壳单元。

步骤6：对所有杆件B_j判定是否建立并建立杆上单元；若杆件存在于面内或者杆件之间已经建立单元，则B_j不需要建立单元。对需要建立单元的杆件进行杆上单元建立。

步骤7：单元联结；在变密度与变构型子结构之间联结单元。

步骤8：模型检查；对有限元模型进行检查，检查内容包括重合节点、畸形等。根据检查结果，调整或删除错误节点及单元。

通过以上各步骤，实现了变密度与变构型三维点阵结构共节点有限元模型的快速建模，消除了直接划分网格时几何模型处理精度不足对有限元模型建模的影响。生成的网格为连续的且杆、梁与壳共享节点，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，因此避免了大量人工操作、提高了建模精确度与建模效率。

本发明的有益效果是：提供了变密度与变构型三维点阵结构建模方法，消除了直接划分网格时几何模型处理精度不足对有限元模型建模的影响，避免建模失效或者失败的问题。解决了变密度与变构型三维点阵结构有限元模型之间联结困难的问题，通过生成杆、梁与壳共享节点的有限元单元，避免了额外刚性连接单元的引用，提高了有限元模型的计算精度和效率。本方法实现自动批处理，因此避免了大量人工操作、提高了建模效率。另外，由于三维点阵结构应用越来越广泛，工程中对其设计与分析需求不断提高，本发明在航空、航天、汽车、医疗等领域的机械结构设计中具有很强的工程实用价值。

附图说明

图1.本发明方法流程图。

图2.实施例结构分解为子结构。

图3.杆件重合示意图。

图4.杆件在面内示意图。

图5.实施例一维单元建立结果。

图6.实施例建模结果。

图7.本发明实施例步骤4中基于坐标的三维点阵构型设计方法流程图。

图中符号说明如下：

B_j为杆件；

P_m与P_n为杆件起止点；

(x_m,y_m,z_m)、(x_n,y_n,z_n)为点阵结构杆件B_j三维坐标值；

LAT1、LAT2为点阵胞元结构；

f_l为结构面

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：

本发明一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法，见图1所示，它包括以下步骤：

步骤1：现有的有限元软件一般都支持三维模型导入功能，通过该功能在软件中导入结构的三维实体模型。

步骤2：现有的有限元软件一般都支持几何模型编辑功能，通过该功能将结构分为若干子结构。如图2所示，实施例的原有结构分解为4个子结构。

步骤3：根据通过遍历方法计算结构几何体的基本构成元素：棱边以及面的数量，并分别记为棱边数E和面数F。实施例中，棱边数为41，面数为22。

步骤4：设实施例中所有子结构为S_i。通过遍历方法统计子结构数量Nsub，通过人机交互方法确定点阵结构胞元构型与密度，计算点阵结构杆件分布。子结构之间的点阵结构胞元构型与密度可以不同，从而形成变密度与变构型的点阵结构。

步骤5：遍历结构的所有面，根据面上的胞元分布，建立面上壳单元。若面上包括多组胞元分布数据，则只建立单元数量多的一组壳单元。

步骤6：判断杆件B_j是否需要建立单元，由于同一位置的杆件可能被不同的点阵胞元共有，则同一位置已经建立的杆件单元不需要重新建立，如图3所示，B₁和B₂在同一位置，若B₁的单元已经建立，则B₂不需要重新建立。若杆件起止点均存在于同一个面中，则杆件B_j不需要建立，如图4所示，B_j在面f_l内。对需要建立单元的杆件进行杆上单元建立。

步骤7：对相关单元进行单元联结，使得有限元模型具有共节点连续性。其中，所述的相关单元为几何关系上具有共用结点或共用棱边等相关性的单元。

步骤8：对实施例中有限元模型进行检查，检查内容包括重合节点、畸形等。根据检查结果，调整或删除错误节点及单元。实施例建模结果如图5及图6所示。

其中，步骤4所述的特定方法为一种基于坐标的三维点阵构型设计方法，具体如下(流程如图7所示)：

步骤40：建立三维点阵构型框架；

步骤41：建立三维点阵构型表达式；

步骤42：获取初始点坐标值G_i(x_gi,y_gi,z_gi)与拓扑属性TG_i(i＝1,2,3...)；

步骤43：计算特征点坐标值P_j(x_pj,y_pj,z_pj)与特征点拓扑属性TP_j；

步骤44：获取杆件起止点坐标值B_k1(x_k1,y_k1,z_k1)，B_k2(x_k2,y_k2,z_k2)和杆拓扑属性TB_k；

步骤45：输出点阵结构信息

步骤46：若需继续产生点阵结构信息，跳至步骤42，否则结束。

Claims (1)

1.一种变密度与变构型三维点阵结构建模方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1、导入结构实体模型；

步骤2、分解结构：通过几何分解方法将结构分为多个子结构；

步骤3、统计结构棱边数E和面数F；

步骤4、对所有子结构S_i计算点阵结构布局：通过遍历方法统计子结构数量N_sub，通过人机交互方法确定各子结构点阵结构胞元构型与密度，计算点阵结构杆件分布；

步骤5、建立面内单元：遍历结构的所有面，根据面上的胞元分布，建立面上壳单元；若面上的包括多组胞元分布数据，则只建立单元数量多的一组壳单元；

步骤6、对所有杆件B_j判定是否建立并建立杆上单元：若杆件存在于面内或者杆件之间已经建立单元，则B_j不需要建立单元；对需要建立单元的杆件进行杆上单元建立；

步骤7、单元联结：在变密度与变构型子结构之间联结单元；

步骤8、模型检查：对有限元模型进行检查，检查内容包括重合节点、畸形；根据检查结果，调整或删除错误节点及单元。