CN109359360A - 一种基于局部特征的结构应力处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构计算分析技术领域，具体涉及一种基于局部特征的结构应力处理方法，其针对存在应力误差的几何结构局部区域，根据仿真计算目标和误差传播规律，确定目标处理局部区域、针对性处理措施原则以及局部区域应力处理方法，满足分析目的需求并保障误差可控，进而开发应力自动处理系统，识别处理目标误差，从误差后处理层面建立一套针对局部区域的应力误差修正解决方案，其能够更加准确地处理应力结果、引导产品研发设计方向。

Description

一种基于局部特征的结构应力处理方法

技术领域

本发明属于结构计算分析技术领域，具体涉及一种基于局部特征的结构应力处理方法。

背景技术

有限元方法作为结构计算分析常用的分析方法，广泛应用到机械、土木、航天等领域的结构部件强度校核中。但实际应用中存在的网格质量差、单元应力奇异等现象极大的降低了普通用户使用的准确度，与实际真实结果有较大差距，因而需要利用理论和经验的方法对既有计算结果进行修正。

现有技术在结构应力计算方面，主要有以下不足：

(1)网格质量：由于几何体的复杂细节和建模误差，引起网格质量缺陷，此种情况计算得到的应力场会在较差的单元处产生剧烈的应力突变；

(2)关注目标：出于减少时间和人力投入成本的目的，非关注区域细节处理不足，导致在此区域应力误差偏大，且非关注区域应力有时占据显著应力位置；

(3)数值计算奇异：面对局部应力非收敛状态，无法得到逐渐稳定的应力结果；

(4)后处理问题：计算结果后处理无法准确判断结构体应力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种能更准确的处理应力结果、引导产品研发设计方向的基于局部特征的结构应力处理方法。

本发明是这样实现的，本发明的一种基于局部特征的结构应力处理方法，包括以下步骤：

第一步，仿真分析目标：确定本次仿真分析的目标，针对关注区域，设定分析目标范围；

第二步，几何区域识别：确定出几何体特征和尺寸变化会引起应力集中的位置；具体涉及到以下方面的判断：

(一)几何特征：对于具有前处理几何模型的，提取几何特征采集表面参数；对于仅有后处理网格结构的，在既有计算结果上提取网格并形成表面参数；

(二)计算识别：确定计算类型和根据关注程度进行结构分级。

a.依据采集的数据，判断分析类型：

如果几何是由线或者梁单元组成，则不适合本方法；

如果几何是由平面或平面单元组成，简化为平面问题，后续用二维方法处理；

如果几何是由空间体或空间实体/面单元组成，作为三维问题后续用三维方法处理；

b.结构分级：

仿真分析的目的决定关注区域的范围，根据此目的将结构划分为三个级别：

Ⅰ类区为重点关注位置；

Ⅱ类区为介于I类区和Ⅲ类区之间的位置；

Ⅲ类区为不关注区域；

具体示例参考图1，根据结构分析目的，图中已划分三个级别。

(三)应力集中区域判断：在既有几何或网格基础上，通过以下指标判断应力集中区域：

a.法向：二维检查线法向，三维检查体延伸方向的面法向；

b.尺寸:二维问题中，判断横截面长度变化；三维问题中，判断横截面面积变化；

c.应力集中区域：其基本判断原则如下：

法向未变化，集中应力出现在两端；

法向均匀变化，集中应力出现在尺寸最小处；

法向非均匀变化，集中应力出现在剧烈变化位置；

具体示例图参考图2，根据上述原则可判断结构应力集中区域为圆圈标识位置。

第三步，确定目标区域处理原则：在结构分级和应力集中区域判定基础上，增加伪集中应力判断准则，以确定目标处理区域处理原则；

第四步，局部区域应力处理：

应力集中区域和处理准则确定后，即可实施局部应力调整。

(一)应力集中：

应力集中区域调整后的单元应力按照应力集中系数进行插值，进行应力插值和分配时：

查询具体形状对应的应力集中系数传播规律；

忽略中间值的差异，公式如下式(1)：

式(1)中，σ_mi为某m单元积分点插值应力，为平均应力，α_mi为应力集中系数；

具体示例图参考图3，1为所示位置与最大应力位置之间的距离。

(二)网格质量较差区域应力调整时：清除此小范围应力结果，重新利用周围可靠单元结果均匀化此单元质量差区域结果；

a.网格质量差单元应力影响范围确定：当一个或者多个单元质量出现奇异，需要确定其影响范围，重新建立在此影响范围内的所有单元应力结果；

需要建立影响因子计算公式如下式(2)，

式2中，γ为奇异单元影响范围判断系数，Δ为单元应力与最小应力差值， S_max和S_min为整个影响范围内最大和最小应力；

当影响因数α高于阈值时，需要对此区域进行调整；

b.应力计算方法：通过阈值选定目标区域影响区的单元建立集合，清除此集合内应力结果，并选择此集合周围临近单元通过下式(3)计算这些单元对目标积分点的影响因数；

式(3)中，η_ni为不同单元积分应力结果对目标单元积分点应力结果影响系数，d_ni为影响积分点和目标积分点距离，n为单元数量，i为积分点数量；

根据影响因素关系，建立集合内单元应力计算公式如下式(4)：

[σ]′＝[σ]·[η] (4)

式(4)中，[σ]′为目标集合单元应力矩阵，[σ]为目标集合周围单元应力矩阵，[η]为目标集合周围单元影响因子矩阵；

具体示例图参考图4，2为网格质量较差且需要处理应力结果区域，3为奇异应力影响范围区域，具体由阈值确定。

完成待调整区域应力计算后，将新应力场结果覆盖原始结果并显示；

第五步，自动应力处理：在上述应力调整的第一步至第四步中，通过程序实现手工操作的各项具体步骤。

本发明的基于局部特征的结构应力处理方法，针对存在应力误差的几何结构局部区域，根据仿真计算目标和误差传播规律，确定目标区域、针对性处理措施原则以及局部区域应力处理方法，满足分析目的需求并保障误差可控，进而开发应力自动处理系统，识别处理目标误差，从应力后处理层面建立一套针对局部区域的应力误差修正解决方案。

还可以进一步地，第一步中，确定本次仿真分析的目标时，包括关注区域、精度和相对趋势。

还可以进一步地，第二步第一项中，提取几何特征采集表面参数时，包括平面和曲面。

还可以进一步地，第三步中，应力集中区域单元应力按照应力集中系数进行插值，进行应力插值和分配时，通过应力集中系数手册查询具体形状对应的应力集中系数传播规律。

还可以进一步地，第三步第二项中，网格质量差应力调整时，针对局部区域一个或多个单元的质量奇异问题，清除此小范围应力结果，并重新利用周围可靠单元结果均匀化此单元质量较差区域结果。

还可以进一步地，第四步中，目标区域处理时，伪集中应力判断准则为雅克比或长宽比。

还可以进一步地，所述处理方法通过软件开发自动处理程序和人工交互界面，自动实现局部区域应力处理功能。

本发明的有益效果：

本发明的基于局部特征的结构应力处理方法，作为一种应力后处理方法，其能够避免计算得到的应力场在较差的单元处产生剧烈的应力突变；避免应力误差偏大，避免非关注区域应力占据显著应力位置；能够得到逐渐稳定的应力结果；能够准确判断结构体应力；能够更加准确的处理应力结果，引导产品研发设计方向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为几何结构分级示意图；

图2为应力集中区域位置示意图；

图3为局部应力集中处理方法示意图；

图4为网格质量差的应力处理方法示意图；

图5为初步有限元结构和网格特征示意图；

图6为初步有限元计算的应力场图；

图7为初步有限元结构分级示意图；

图8为误差调整后的有限元结果图。

图中，1为所示位置与最大应力位置之间的距离，2为网格质量较差且需要处理应力结果区域，3为奇异应力影响范围区域，4为圆孔，5为质量较差的网格，6为圆孔区域调整应力误差所用的平均应力，7为调整后的圆孔准确应力，8为网格质量较差区域调整后的应力场结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

实施例：

本实施例针对以下工况进行演示：一个矩形二维结构，中间带圆孔，且远离圆孔区域网格质量较差，鉴于上述两个特征容易引起应力误差，需要通过调整来获得接近真实情况的应力场，具体情况见图5。模型边界条件为右端固定，左端受到均布力作用，考虑到圣维南定理中边界或载荷施加的影响，图5中4 和5两个特征尽量远离边界区域。在完成初步有限元计算的前提下(见图6)，利用以下操作步骤完成对应力误差的去除。

图5中，4为圆孔，5为质量较差的网格。

图6中，为初步有限元计算的应力场，对应图5中两个区域分别有应力误差。

一种基于局部特征的结构应力处理方法，包括以下步骤：

第一步，仿真分析目标：确定本次仿真分析的目标，针对关注区域，设定分析目标范围。本次仿真主要关注圆孔区域的应力计算结果，同时去除由于网格因素造成的应力奇异影响，即求得真实的图5中4区域的应力，并去除5区域伪应力集中现象。

第二步，几何区域识别：确定出几何体特征和尺寸变化会引起应力集中的位置；具体涉及到以下方面的判断：

(一)几何特征：由于已存在计算结构和节点网格等信息，，本步骤在通过识别边缘节点来确定形状特征。；

(二)计算识别：确定计算类型和根据关注程度进行结构分级。

a.依据采集的数据，判断分析类型：

分析目的非常明确，即二维静力分析，在此静力结果基础上完成真实应力场的恢复。

b.结构分级：

根据前述结构分级的方法，并结合本次计算目的，将矩形结构在分析层面划分成如附图7的四个部分。结构分级不是真实意义上的切割，而是在分析处理层面方便确定目标应力区域处置方法而设置的。

图7为经过结构分级所划分的区域。

(三)应力集中区域判断：在既有几何或网格基础上，通过以下指标判断应力集中区域：本示例中圆孔区域作为内边界，网格边界法向均匀变化，且此区域横截面面积最小，因为作为重点关注区域。

第三步，目标区域处理原则确定：在结构分级和应力集中区域判定基础上，增加伪集中应力判断准则，以确定目标处理区域；

需要说明的是，增加伪集中应力判断准则，主要是雅克比、长宽比等。其中雅可比行列式通常称为雅可比式(Jacobian)，它是以n个n元函数的偏导数为元素的行列式。

目标清理措施如下表1所示：

表1：

根据上述原则，将在图5中4区域调整应力集中，5区域调整网格奇异的应力结果。

第四步，局部区域应力处理：

(一)应力集中：

应力集中区域单元应力按照应力集中系数进行插值，进行应力插值和分配时：

需要说明的是，应力集中区域单元应力按照应力集中系数进行插值，进行应力插值和分配时，具体峰值借鉴参数手册。根据手册，查询具体形状对应的应力集中系数传播规律。

查询具体形状对应的应力集中系数传播规律；

忽略中间值的差异，公式如下式(1)：

式(1)中，σ_mi为某m单元积分点插值应力，为平均应力，α_mi为应力集中系数；

需要说明的是，鉴于固定最大应变值后，不同公式在起始值和最大值之间传播过程应力会偶有不同，但是实际结构受力状态经常以最大应力来评价，所以忽略中间值的差异。

根据公式(1)中所需要确定的参数，于图8中6区域选择平均应力1000MPa，按照计算手册查询得到最大应力系数为2.4，因而得到实际的圆孔区域最大应力为2400Mpa，，将圆孔影响区域内的其他单元应力一并调整，最终得到图8中7 处应力场结果。

图8为矩形结构最终调整后的应力结果，6为圆孔区域调整应力误差所用的平均应力，7为调整后的圆孔准确应力，8为网格质量较差区域调整后的应力场结果。

(二)网格质量差应力调整时：清除此小范围应力结果，重新利用周围可靠单元结果均匀化此单元质量差区域结果；

需要说明的是，针对局部区域一个或多个单元的质量奇异问题，清除此小范围应力结果，并重新利用周围可靠单元结果均匀化此单元质量差区域结果。

a.网格质量较差单元应力影响范围确定：当一个或者多个单元质量出现奇异，需要确定其影响范围，重新建立在此影响范围内的所有单元应力结果；

需要建立影响因子计算公式如下式(2)，

式2中，γ为奇异单元影响范围判断系数，Δ为单元应力与最小应力差值， S_max和S_min为整个影响范围内最大和最小应力；

当影响因数α高于阈值时，需要对此区域进行调整；

本文中通过理论分析图5中5区域应力场应为均匀变化，设置较小的阈值系数0.2。

b.应力计算方法：通过阈值选定目标区域影响区的单元建立集合，清除此集合内应力结果，并选择此集合周围临近单元通过下式(3)计算这些单元对目标积分点的影响因数；

式(3)中，η_ni为不同单元积分应力结果对目标单元积分点应力结果影响系数，d_ni为影响积分点和目标积分点距离，n为单元数量，i为积分点数量；

根据影响因素关系，建立集合内单元应力计算公式如下式(4)：

[σ]′＝[σ]·[η] (4)

式(4)中，[σ]′为目标集合单元应力矩阵，[σ]为目标集合周围单元应力矩阵，[η]为目标集合周围单元印象因子矩阵；

本示意案例中受力情况比较简单，主要目的清除网格奇异引起的应力变大现象。根据公式(3)和(4)，在影响区边界外，利用多组单元真实应力拟合影响区应力场，得到如图8中所示结果(由于仅受到拉伸作用，导致矩形非应力集中范围内的单元应力基本一致，原区域的梯度边界消失)。

第五步，自动应力处理：在上述应力调整的第一步至第四步中，通过电脑程序实现手工操作的各项具体步骤。

需要说明的是，在上述方案基础上，可以依据实现步骤开发自动处理程序和人工交互界面，自动实现局部区域应力处理功能。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，仿真分析目标：确定本次仿真分析的目标，针对关注区域，设定分析目标范围；

第二步，几何区域识别：确定出几何体特征和尺寸变化会引起应力集中的位置；具体涉及到以下方面的判断：

(一)几何特征：对于具有前处理几何模型的，提取几何特征采集表面参数；对于仅有后处理网格结构的，在既有计算结果上提取网格并形成表面参数；

(二)计算识别：确定计算类型和根据关注程度进行结构分级。

a.依据采集的数据，判断分析类型：

如果几何是由线或者梁单元组成，则不适合本方法；

如果几何是由平面或平面单元组成，简化为平面问题，后续用二维方法处理；

如果几何是由空间体或空间实体/面单元组成，作为三维问题后续用三维方法处理；

b.结构分级：

仿真分析的目的决定关注区域的范围，根据此目的将结构划分为三个级别：

I类区为重点关注位置；

II类区为介于I类区和III类区之间的位置；

III类区为不关注区域；

(三)应力集中区域判断：在既有几何或网格基础上，通过以下指标判断应力集中区域：

a.法向：二维检查线法向，三维检查体延伸方向的面法向；

b.尺寸：二维问题中，判断横截面长度变化；三维问题中，判断横截面面积变化；

c.应力集中区域：其基本判断原则如下：

法向未变化，集中应力出现在两端；

法向均匀变化，集中应力出现在尺寸最小处；

法向非均匀变化，集中应力出现在剧烈变化位置；

第三步，确定目标区域处理原则：在结构分级和应力集中区域判定基础上，增加伪集中应力判断准则，以确定目标处理区域处理原则；

第四步，局部区域应力处理：

应力集中区域和处理准则确定后，即可实施局部应力调整。

(一)应力集中：

应力集中区域调整后的单元应力按照应力集中系数进行插值，进行应力插值和分配时：

查询具体形状对应的应力集中系数传播规律；

忽略中间值的差异，公式如下式(1)：

式(1)中，σ_mi为某m单元积分点插值应力，为平均应力，α_mi为应力集中系数；

(二)网格质量较差区域应力调整时：清除此小范围应力结果，重新利用周围可靠单元结果均匀化此单元质量差区域结果；

a.网格质量差单元应力影响范围确定：当一个或者多个单元质量出现奇异，需要确定其影响范围，重新建立在此影响范围内的所有单元应力结果；

需要建立影响因子计算公式如下式(2)，

式2中，γ为奇异单元影响范围判断系数，Δ为单元应力与最小应力差值，S_max和S_min为整个影响范围内最大和最小应力；

当影响因数α高于阈值时，需要对此区域进行调整；

b.应力计算方法：通过阈值选定目标区域影响区的单元建立集合，清除此集合内应力结果，并选择此集合周围临近单元通过下式(3)计算这些单元对目标积分点的影响因数；

式(3)中，η_ni为不同单元积分应力结果对目标单元积分点应力结果影响系数，d_ni为影响积分点和目标积分点距离，n为单元数量，i为积分点数量；

根据影响因素关系，建立集合内单元应力计算公式如下式(4)：

[σ]′＝[σ]·[η] (4)

式(4)中，[σ]′为目标集合单元应力矩阵，[σ]为目标集合周围单元应力矩阵，[η]为目标集合周围单元影响因子矩阵；

完成待调整区域应力计算后，将新应力场结果覆盖原始结果并显示；

第五步，自动应力处理：在上述应力调整的第一步至第四步中，通过程序实现手工操作的各项具体步骤。

2.如权利要求1所述的基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，第一步中，确定本次仿真分析的目标时，包括关注区域、精度和相对趋势。

3.如权利要求2所述的基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，第二步第一项中，提取几何特征采集表面参数时，包括平面和曲面。

4.如权利要求3所述的基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，第三步中，应力集中区域单元应力按照应力集中系数进行插值，进行应力插值和分配时，通过应力集中系数手册查询具体形状对应的应力集中系数传播规律。

5.如权利要求4所述的基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，第三步第二项中，网格质量差应力调整时，针对局部区域一个或多个单元的质量奇异问题，清除此小范围应力结果，并重新利用周围可靠单元结果均匀化此单元质量差区域结果。

6.如权利要求5所述的基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，第四步中，目标区域处理时，伪集中应力判断准则为雅克比或长宽比。

7.如权利要求6所述的基于局部特征的结构应力处理方法，其特征在于，所述处理方法通过软件开发自动处理程序和人工交互界面，自动实现局部区域应力处理功能。