CN109522654A - 参数化建模及网格自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种参数化建模及网格自动生成方法，涉及计算机辅助工程设计技术领域。一种参数化建模及网格自动生成方法，应用有限元仿真设计，包括如下步骤：参数化建模，查询并设计产品参数化设计的工艺模型；编写工艺模型生成程序；在上述步骤基础上，网格自动生成采用宏程序组合的方法实现；采用window批处理上述步骤中程序，集成外形与网格自动生成程序。本发明的目的在于提供一种参数化建模及网格自动生成方法，以解决现有发动机喷管涂层的优化设计效率较低的问题。

Description

参数化建模及网格自动生成方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程设计的技术领域，尤其是涉及一种参数化建模及网格自动生成方法。

背景技术

喷管尤其喉衬是固体火箭发动机的关键部件，其工作环境恶劣，涂层在工作过程中消耗的热量高，必须承受较高的燃气温度。由于涂层材料、结构及其所处环境的复杂性，其设计过程繁琐，生产成形复杂，通常依赖于有限元仿真指导设计方向。发动机喷管高温防护涂层特别是喉衬喷涂层数多、层间厚度小、每层厚度薄等因素导致分析模型建立复杂，且优化设计必须建立多种不同结构模型，复合结构材料高温防护层的建模及网格划分往往花费设计人员巨大的时间和精力等。

在喷管涂层结构优化设计的迭代过程中，需不断调整各涂层间的厚度，并对调整后的外形进行隔热性能评估。工程实际中的喷管外形数模生成与修改工作往往由设计人员使用现有软件如CATIA等手动绘制或修改来完成，而计算网格的合理设计和高质量网格生成是仿真计算的前提条件，涂层结构设计人员一般采用Gridgen、ICEM、HyperMesh等前处理软件完成这项工作，在现阶段，仿真前处理仍然占据大部分计算时间，因此在发动机喷管涂层优化设计过程中，需要提出一种能应用于工程实际的参数化分析方法，以提高优化设计效率。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种参数化建模及网格自动生成方法及汽车，以解决现有的发动机喷管涂层优化设计的优化效率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术手段为：

本发明提供的一种参数化建模及网格自动生成方法，应用有限元仿真设计，包括如下步骤：

步骤A，参数化建模，查询并设计产品参数化设计的工艺模型；

优选的，设定相应参数条件，包括指定涂层部分的尺寸参数、工艺参数及工艺余量参数的实例化设定，以生成参数化设计模型；

步骤B，编写工艺模型生成程序；

步骤C，在步骤B基础上，采用宏程序组合的方法实现网格自动生成，即涂层的建立；

优选的，首先记录对软件的操作，根据模型特征完成线、面等布点操作，最后设置边界条件，输出网格和边界关系并关闭宏录制模式，保存脚本文件；

步骤D，采用window批处理步骤C中程序，集成外形与网格自动生成程序。

需要指出的是，步骤B为基于热－结构藕合分析法对所述有限元分析的模型进行计算，得到涂层结构的温度和应力模拟结果。

作为一种进一步的技术方案，步骤A中，采用变量驱动的方式，首先获取喷管内型面的函数曲线，通过创建涂层参数来表示不同涂层的坐标信息，通过更新参数更新几何模型。

作为一种进一步的技术方案，步骤B应用于三维建模软件，步骤C应用于网络划分软件，其中，三维建模软件包括CATIA或UG；网格划分软件包括Gridgen或ICEM。

作为一种进一步的技术方案，步骤D应用的编译环境包括VisualBasic。

作为一种进一步的技术方案，将每个特征参数写入文件作为输入文件，基于CATIA软件定义参数，编写VB语言程序，实现快速的参数化建模。

作为一种进一步的技术方案，步骤C中的网格自动生成具体为：首先，打开网络划分软件开启宏录制模式，导入保存的模型文件；在产品上布点，根据点的分布情况生成二维网格面；而后将二维网格转化为三维网格；最后将不同涂层进行分类，设置边界条件，保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，得到脚本文件。

作为一种进一步的技术方案，将不同涂层进行分类后，记录各涂层间距的网格点数。

作为一种进一步的技术方案，网络划分软件采用Gridgen软件，导入的模型文件为IGS模型文件。

作为一种进一步的技术方案，步骤D中，将生成外形及网格的程序通过命令行写入window下bat脚本文件，运行系统脚本文件即可生成外形数模与网格文件。

需要指出的是，若需调整涂层间网格密度，则修改脚本内该层网格数值，最后批处理程序即可完成改进后的有限元前处理工作。

作为一种进一步的技术方案，步骤A中，尺寸参数包括确定出合理的调制比、调制周期及复合涂层总厚度。

与现有技术相比，本发明提供的参数化建模及网格自动生成方法所具有的技术优势为：

本发明提供的一种参数化建模及网格自动生成方法，如上述方案，能够将工艺模型生成程序并通过宏程序组合的方法实现网格自动生成，即涂层的建立，通过调用参数化构建实例化模型，自动完成网格划分，实现了模型的快速定义和仿真结果快速生成，提高了喷管隔热涂层设计效率，也有益于企业知识的沉淀和传承；具体为，通过对发动机喷管隔热涂层模型进行有限元分析，并将不同设计方案的模拟结果进行比对，便可判断隔热效果最优的设计方案。通过上述方法对涂层隔热性能进行分析时，无需不段进行建模、划分网格等前处理工作，无需花费较长时间完成涂层结构优化设计过程，因此，在保证建模准确性、高网格质量的情况下，上述方法简化了分析流程，有效地缩短了隔热涂层优化设计的周期。

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为发动机喷管对称面示意图，其中，A处为输入端，B处为输出端；

图2为自动生成的网格局部图(第一层涂层高度0.01mm，第二层涂层高度0.04mm，C与D代表不同颜色，其中C处指示均为绿色，D处指示均为红色)；

图3为本发明一个实施例中参数化外形建模流程示意图；

图4本发明一个实施例中基于有限元分析的发动机喷管隔热涂层优化设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本实施例的目的是提供一种能够兼顾隔热涂层设计复杂性和通用性的结构有限元优化设计方法。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

本实施例提供的参数化建模及网格自动生成方法，应用有限元仿真设计，包括：

步骤A，获取需优化喷管的理论外形描述，定义外形参数。

需要指出的是，由于喷管为轴对称模型，二维喷管对称面由图1所示，其抗氧化涂层厚度、调制周期、调制比等特征参数由参数控制，喷管内表面型面为曲线，采用特征参数描述法，设置涂层特征参数如第一层涂层间距0.01mm，写入文件input.txt；

步骤B，安装三维建模软件CATIA，VisualBasic开发环境；采用VB语言编写外形生成程序，图3为操作流程图，结合如下进行理解：

编写模型生成程序；

查询与设计喷管外形，设定相应参数条件，包括指定涂层部分的尺寸参数、工艺参数及工艺余量参数的实例化设定，以生成参数化设计模型，即，确定出合理的调制比、调制周期及复合涂层总厚度，而后进行步骤C、步骤D。

步骤C，保存模型格式为IGS，启动Gridgen软件，开启宏脚本录制功能，根据模型特征完成线、面等布点操作，最后设置边界条件，输出网格并关闭宏录制模式，其操作具体步骤如下：

首先，打开Gridgen软件开启宏录制模式，导入IGS模型文件；

在喷管型面上布点，根据点的分布情况生成二维网格面；

记录各涂层间距网格点数，方便之后修改调整，确保网格质量后，将二维网格转化为三维网格；

将不同涂层进行分类，方便后续有限元分析赋予材料属性，设置边界条件，保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，得到脚本文件。

步骤D、通过widow批处理程序(.bat)集成模型自动生成及网格自动划分程序。将生成外形及网格的程序通过命令行写入系统bat脚本文件，运行系统脚本文件即可生成外形数模与网格文件，图2为生成网格的局部放大图，后续调整外形仅需修改Input.txt参数数值，如需调整涂层间网格密度，则修改脚本内该层网格数值，最后并运行程序即可完成修改后有限元分析的前处理工作。

采用上述步骤A－步骤D的参数化建模及网格自动生成方法，能够加快发动机喷管涂层的优化设计中有限元分析的前处理工作的效率。

实际应用时，结合发动机喷管外形的结构特点，查询与设计喷管外形，确定出合理的调制比、调制周期及复合涂层总厚度；

编写模型生成程序；将模型保存为IGS格式，使用Gridgen软件自带的一种宏功能实现网格自动化，宏功能即是通过记录操作，生成脚本程序，这种脚本是由Tcl语言构成，但通过录制操作生成脚本文件往往存在不太完善等问题。首先根据网格绘制流程结合数模生成网格控制线并布点，记录网格划分操作生成相应的宏文件，再通过Tcl语言调整各涂层间网格高度，后续重复性的工作中仅运行脚本即可完成网格生成工作；

如此当设计外形变化较大，依然保持较大网格质量，不过，在第一次计算中，必须保存边界条件及相关参数的设置，并将其设置为模板日志，用于有限元分析计算；

将参数化模型生成与网格自动划分程序进行集成，通过window批处理的脚本实现；

基于热－结构藕合分析法对所述有限元分析模型进行计算，得到涂层结构的温度和应力模拟结果。

本实施例的基于有限元仿真的发动机喷管隔热涂层优化设计方法，即参数化建模及网格自动生成方法，通过对发动机喷管隔热涂层模型进行有限元分析，并将不同设计方案的模拟结果进行比对，便可判断隔热效果最优的设计方案。通过上述方法对涂层隔热性能进行分析时，无需不段进行建模、划分网格等前处理工作，无需花费较长时间完成涂层结构优化设计过程，因此，在保证建模准确性、高网格质量的情况下，上述方法简化了分析流程，有效地缩短了隔热涂层优化设计的周期。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种参数化建模及网格自动生成方法，应用有限元仿真设计，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，参数化建模，查询并设计产品参数化设计的工艺模型；

优选的，设定相应参数条件，包括指定涂层部分的尺寸参数、工艺参数及工艺余量参数的实例化设定，以生成参数化设计模型；

步骤B，编写工艺模型生成程序；

步骤C，在步骤B基础上，采用宏程序组合的方法实现网格自动生成，即涂层的建立；

优选的，首先记录对软件的操作，根据模型特征完成线、面等布点操作，最后设置边界条件，输出网格和边界关系并关闭宏录制模式，保存脚本文件；

步骤D，采用window批处理步骤C中程序，集成外形与网格自动生成程序。

2.根据权利要求1所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，步骤A中，采用变量驱动的方式，首先获取喷管内型面的函数曲线，通过创建涂层参数来表示不同涂层的坐标信息，通过更新参数更新几何模型。

3.根据权利要求1或2所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，步骤B应用于三维建模软件，步骤C应用于网络划分软件，其中，三维建模软件包括CATIA或UG；网格划分软件包括Gridgen或ICEM。

4.根据权利要求3所述的参数化建模及网络自动生成方法，其特征在于，步骤D应用的编译环境包括VisualBasic。

5.根据权利要求4所述的参数化建模及网络自动生成方法，其特征在于，将每个特征参数写入文件作为输入文件，基于CATIA软件定义参数，编写VB语言程序，实现快速的参数化建模。

6.根据权利要求4所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，步骤C中的网格自动生成具体为：首先，打开网络划分软件开启宏录制模式，导入保存的模型文件；在产品上布点，根据点的分布情况生成二维网格面；而后将二维网格转化为三维网格；最后将不同涂层进行分类，设置边界条件，保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，得到脚本文件。

7.根据权利要求6所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，将不同涂层进行分类后，记录各涂层间距的网格点数。

8.根据权利要求7所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，网络划分软件采用Gridgen软件，导入的模型文件为IGS模型文件。

9.根据权利要求1所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，步骤D中，将生成外形及网格的程序通过命令行写入window下bat脚本文件，运行系统脚本文件即可生成外形数模与网格文件。

10.根据权利要求1所述的参数化建模及网格自动生成方法，其特征在于，步骤A中，尺寸参数包括确定出合理的调制比、调制周期及复合涂层总厚度。