CN110069792B - 一种系留浮空器的头锥的设计方法 - Google Patents

一种系留浮空器的头锥的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种系留浮空器的头锥的设计方法，该设计方法包括：步骤S1，获取头锥的一组设计参数；步骤S2，根据头锥的几何尺寸信息，分别构建骨架模型和连接装置模型，并将骨架模型和连接装置模型进行装配，得到初始头锥模型；步骤S3，对初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型，并且在离散化的头锥模型的基础上，将骨架模型和连接装置模型的接头处进行耦合，以得到头锥模型；步骤S4，定义载荷条件和边界条件，以及根据载荷条件和边界条件，对头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存；步骤S5，自动重复执行步骤S1至步骤S4，以得到多组不同的设计参数所对应的多个头锥模型的应力分析结果，以及选取最优的一组设计参数。

Description

一种系留浮空器的头锥的设计方法
技术领域
本发明涉及浮空器的设计领域，具体来说，涉及一种系留浮空器的头锥的设计方法。
背景技术
头锥是系留气球的主要部件，其位于囊体前端。头锥主要作用为满足系留气球牵引和地面系留的需要，将牵引和地面系留时的集中载荷较均匀的传递给囊体，并维持飞艇头部形状。
因此，在对系留气球的头锥进行设计的过程中，如何定义头锥的各类参数是一个十分关键的问题。头锥部件的各类参数很多，现有技术是通过对各种设计参数下的每一种型号进行有限元仿真并比较各种方案，浪费了设计人员的大量的时间。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种系留浮空器的头锥的设计方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种系留浮空器的头锥的设计方法，该系留浮空器的头锥的设计方法包括：步骤S1，获取头锥的一组设计参数，其中，设计参数包括头锥的几何尺寸信息；步骤S2，根据头锥的几何尺寸信息，分别构建骨架模型和连接装置模型，并将骨架模型和连接装置模型进行装配，得到初始头锥模型；步骤S3，对初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型，并且在离散化的头锥模型的基础上，将骨架模型和连接装置模型的接头处进行耦合约束，以得到头锥模型；步骤S4，定义载荷条件和边界条件，以及根据载荷条件和边界条件，对头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存；步骤S5，自动重复执行步骤S1至步骤S4，以得到多组不同的设计参数所对应的多个头锥模型的应力分析结果，以及根据已知的判定条件和多组应力分析结果，选取最优的一组设计参数。
根据本发明的一个实施例，根据头锥的几何尺寸信息，构建骨架模型包括：步骤21，根据几何尺寸信息中的多个元素，构建参数化模型；步骤22，根据参数化模型和几何尺寸信息，分别确定骨架模型中的底环的半径信息、骨架模型中的辐条数目信息和辐条高度信息、和接头处的顶环的半径信息；步骤S23，根据底环的半径信息、辐条数目信息、辐条高度信息和顶环的半径信息，构建骨架模型，其中，骨架模型包括：底环、顶环、和设置在底环和顶环之间的多根辐条。
根据本发明的一个实施例，几何尺寸信息中的多个元素至少包括：辐条的内壁厚度信息、底环的内壁厚度信息、辐条的环截面的外半径信息、底环的环截面的外半径信息、底环的半径信息、辐条的倾斜角信息、辐条的数目信息。
根据本发明的一个实施例，根据头锥的几何尺寸信息，构建连接装置模型包括：步骤S41，设置连接装置模型中的法兰的第一几何尺寸信息，并根据第一几何尺寸信息，构建连接装置模型中的法兰模型；步骤S42，设置连接装置模型中的连接头的第二几何尺寸信息，并根据第二几何尺寸信息，构建连接装置模型中的连接头模型；步骤S43，将法兰模型和连接头模型的重叠部分删除，从而法兰模型和连接头模型构成连接装置模型。
根据本发明的一个实施例，第一几何尺寸信息包括：法兰底部圆柱尺寸信息、法兰顶部圆柱尺寸信息。
根据本发明的一个实施例，第二尺寸信息包括：连接头底部尺寸信息、连接头顶部尺寸信息。
根据本发明的一个实施例，根据头锥的材料属性，对初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型包括：获取材料属性信息；对骨架模型和连接装置模型进行网格划分，以使骨架模型和连接装置模型划分为多个单元，并根据材料属性信息，定义骨架模型和连接装置模型中的每个单元的尺寸。
根据本发明的一个实施例，材料属性信息至少包括：弹性模量信息、泊松比信息、密度信息、单元类型信息。
根据本发明的一个实施例，将骨架模型和连接装置模型的接头处进行耦合约束包括：确定相邻的两个辐条的延长线之间的夹角；根据夹角和辐条的数目信息，旋转头锥模型，并将夹角作为每次旋转的角度，且将辐条数目信息对应地数目作为旋转次数，从而在每次旋转后，将辐条和连接头装置模型的接触点附近的节点进行耦合约束。
根据本发明的一个实施例，根据载荷条件和边界条件，对头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存包括：根据载荷条件和边界条件，对头锥模型的顶部施压，并确定头锥模型中的所有单元中的最大应力值和其所对应的头锥模型的重量信息，以及分别将最大应力值和重量信息存储至第一数组和第二数组中。
根据本发明的一个实施例，通过后台调用ANSYS软件来执行头锥的设计方法。
本发明的有益技术效果在于：
本发明通过该系留浮空器的头锥的设计方法，使得用户能够在进行有限元分析时不需要进行重复操作，只需要设定头锥参数即可轻松方便快捷地完成一个系列头锥型号的有限元分析，大大节省设计人员的时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是根据本发明实施例的系留浮空器的头锥的设计方法的流程图；
图2是根据本发明具体实施例的头锥的设计参数的输入界面的示意图；
图3是根据本发明具体实施例的骨骼模型的示意图；
图4是根据本发明具体实施例的连接装置模型的示意图；
图5是根据本发明具体实施例的初始头锥模型的示意图；
图6是根据本发明具体实施例的离散化的头锥模型的示意图；
图7是根据本发明具体实施例的耦合约束前的初始头锥模型的局部示意图；
图8是根据本发明具体实施例的耦合约束后的头锥模型的局部示意图；
图9是根据本发明具体实施例头锥模型的加载示意图；
图10是根据本发明具体实施例的加载后的输出界面的示意图；
图11是根据本发明具体实施例的系留浮空器的头锥的设计方法的的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更好的理解本实用新型的技术方案，首先对系留浮空器的头锥的结构进行说明。结合图5所示，头锥可包括底环10、多根辐条15、法兰20以及连接头25，其中，连接头25用螺栓固定在法兰20上，其在有限元计算中简化为耦合约束，以及辐条15连接在底环10与法兰20之间，辐条15的一端用螺栓固定在底环10上，辐条15的另一端用螺栓固定在法兰20上，以及辐条15与底环10和法兰20的两个连接处在有限元计算中简化为耦合约束。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种系留浮空器的头锥的设计方法。
如图1所示，根据本发明实施例的系留浮空器的头锥的设计方法包括：步骤S101，获取头锥的一组设计参数，其中，设计参数包括头锥的几何尺寸信息；步骤S103，根据头锥的几何尺寸信息，分别构建骨架模型和连接装置模型，并将骨架模型和连接装置模型进行装配，得到初始头锥模型；步骤S105，对初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型，并且在离散化的头锥模型的基础上，将骨架模型和连接装置模型的接头处进行耦合约束，以得到头锥模型；步骤S107，定义载荷条件和边界条件，以及根据载荷条件和边界条件，对头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存；步骤S109，自动重复执行步骤S101至步骤S107，以得到多组不同的设计参数所对应的多个头锥模型的应力分析结果，以及根据已知的判定条件和多组应力分析结果，选取最优的一组设计参数。
在该实施例中，本发明的系留浮空器的头锥的设计方法可通过软件的方式来实现，例如，根据本发明的一个实施例，该系留浮空器的头锥的设计方法是通过ANSYS软件来实现的，其通过利用APDL语言(其为ANSYS参数化设计语言)来进行流程控制和参数化建模，并结合已知的强度刚度准则，进行头锥的优化设计和不同结构力学分析，最终帮助设计人员设计出合理的头锥结构。
此外，为了便于描述本发明的系留浮空器的头锥的设计方法的具体流程，下面通过ANSYS软件为例来进行详细的描述。具体地，该系留浮空器的头锥的设计方法包括：
首先，如图11所示，可通过采用文本文档的形式，要求用户在文本文档的界面上输入一系列头锥的设计参数，并规定头锥的强度极限值和刚度极限值。随后，当用户输入以上各类数值后，ANSYS软件中的程序中的数组及各个运行文件开始一次进行计算，同时，一般情况下，由于辐条15和底环10等一般为空心结构，因此，输入头锥的设计参数至少包括：辐条15的内壁厚度、底环10的内壁厚度、辐条15环截面的外半径、底环10的环截面的外半径、底环10的半径、辐条15的倾斜角、辐条15的数目等，随后根据上述设计参数来进行参数化建模，得到头锥模型和加载方式，然后计算头锥的受力和变形情况，经过有限元计算得到结果，将计算所得的应力分析结果存储在对应的数组中。此外，在应力分析结果中较为关键的物理量为头锥重量、最大应力这两个物理量，因此，将上面这两个物理量录入特殊的数组中，以便于进行优化分析，此外，在一次计算结束后，还会生成新的计算文件和模型，便于进行下一次计算。另外，当有限元模型计算完毕时，系统会根据计算出的最大应力值、重量等数值，以及已知的强度准则输出最合适的有限元模型，并推荐最优的设计参数，以及还会推荐一部分可能的备选模型，方便设计人员进行选择。
借助于上述技术方案，通过该系留浮空器的头锥的设计方法，使得用户能够在进行有限元分析时不需要进行重复操作，只需要设定头锥参数即可轻松方便快捷地完成一个系列头锥型号的有限元分析，大大节省设计人员的时间。
为了便于描述本发明的技术方案，下面通过具体的实施例进行详细的描述。
该系留浮空器的头锥的设计方法包括以下三个步骤：头锥的设计参数的确定、参数化建模、多个参数化模型的求解及最优方案选择，具体地：
1.头锥的设计参数的确定
表1
其中，在表1中，底环10和辐条15均采用上述铝管构成，因此在参数化设计中统一设置铝管的内壁厚度及环截面的外半径，同时，辐条15倾斜角为辐条15与底环10所在平面的夹角。同时，由于铝管为中空结构，所以铝管的厚度是指铝管的内壁厚度，对应地，铝管截面外半径是指铝管的环截面的外半径。
此外，继续参见表1，采集基本参数，并根据程序流程和输入的参数，给参数化设计过程中的头锥赋予具体参数值，同时，头锥的设计参数还可根据实际情况来设置，例如，根据本发明的一个实施例，在系留浮空器为飞艇的情况下，底环半径等于飞艇的艇体半径的15％～25％，如在飞艇的艇体半径为5000mm的情况下，底环半径在750mm～1250mm之间，以上取值均符合要求。从而在表1所示的设计参数的基础上，其可根据输入的取值数量，一共需要计算多种方案的最大应力值和结构重量值，设计参数的输入界面如图2所示，例如，根据本发明的一个实施例，其可根据输入的取值数量，一共需要计算32种方案的最大应力值和结构重量值。此外，该输入界面虽然以方框的形式输出，但其界面的具体呈现形式可根据实际需求进行设置，例如，图2的界面和图10的界面均可通过记事本的方式进行呈现。
此外，虽然表1示出了头锥的设计参数中的几何尺寸信息中的多个元素至少包括：辐条15的内壁厚度信息、底环10的内壁厚度信息、辐条15的环截面的外半径信息、底环10的环截面的外半径信息、底环10的半径信息、辐条15的倾斜角信息、辐条15的数目信息的情况，但本领域的技术人员应当理解，其还可根据实际需求选择其他的元素作为头锥的设计参数，例如，根据本发明的一个实施例，该头锥的设计参数还包括：材料属性信息，本发明对此不作限定。同时，以下的实施例虽然也示出了具体的参数，但相应的实施例中的参数也可根据实际需求进行设置，下文不再重复阐述。
2.参数化建模
21)、构建骨骼模型
该骨架模型的构建过程包括：根据几何尺寸信息中的多个元素，构建参数化模型；根据参数化模型和几何尺寸信息，分别确定骨架模型中的底环10的半径信息、骨架模型中的辐条15数目信息和辐条15高度信息、和接头处的顶环的半径信息；根据底环10的半径信息、辐条15数目信息、辐条15高度信息和顶环的半径信息，构建骨架模型，其中，骨架模型包括：底环10、顶环、和设置在底环10和顶环之间的多根辐条15。
下面通过具体的实施例，对骨骼模型的构建过程进行详细的说明。
将铝管的厚度、铝管的环截面的外半径、底环的半径、辐条的倾斜角、辐条的数目的取值编号分别用P、J、K、L、M代表，从而根据上述取值编号建立参数化模型。
参数化模型编号Nmodel为：
Nmodel＝P+(J-1)×Tnum+(K-1)×Tnum×Routnum+(L-1)×Tnum×Routnum×Rdihuannum+(M-1)×Tnum×Routnum×Rdihuannum×αnum，其中，Nmodel为参数化模型的编号，Tnum为铝管厚度的取值数量，Routnum为铝管截面外半径取值数量，Rdihuannum为底环半径取值数量，αnum为辐条倾斜角取值数量。
随后，在上述参数化模型的基础上，根据取值编号计算出底环半径Rdihuan、辐条数目Nbar和安装角α0为：
Rdihuan＝Rdihuanmin+(K-1)×(Rdihuanmax－Rdihuanmin)/Rdihuannum；
Nbar＝Nbarmin+(M-1)×(Nbarmax－Nbarmin)/Nbarnum；
α0＝αmin+(L-1)×(αmax－αmin)/αnum。
此外，以(0，0，0)为圆心，Rdihuan为半径，建立一个段数目为Nbar的封闭的圆形曲线，该圆形曲线对应于底环10，同时，将圆形曲线的各个相邻段的接头处设定为各个辐条15的起始端点，并且将端点编号设置成连续的，最小编号为2，最大编号为Nbar+1。
另外，根据法兰20尺寸定义连接头半径Rjietou，根据接头半径计算出辐条15的高度Hfutiao为：Hfutiao＝(Rdihuan－Rjietou)×tan(α0)。
此外，以(0，0，Hfutiao)为圆心，Rjietou为半径，建立一个段数目为Nbar的封闭的圆形曲线。将圆形曲线各个相邻段的接头处设为各个辐条15的终止端点，并且将端点的编号设置成连续，最小编号为2+Nbar，最大编号为2×Nbar+1，点的编号对应底环10增加Nbar。
另外，将底环10的段中的点，及接头处对应其编号增加Nbar的点连接起来，生成骨骼模型，骨骼模型的三维模型图3所示。同时，如图3所示，该骨骼模型还包括顶环30，随后在耦合约束的处理过程中，该顶环30用于骨骼模型和法兰20的连接。
22)、构建连接装置模型
该连接装置模型的构建过程包括：设置连接装置模型中的法兰20的第一几何尺寸信息，并根据第一几何尺寸信息，构建连接装置模型中的法兰模型；设置连接装置模型中的连接头25的第二几何尺寸信息，并根据第二几何尺寸信息，构建连接装置模型中的连接头模型；将法兰模型和连接头模型的重叠部分删除，从而法兰模型和连接头模型构成连接装置模型。
下面通过具体的实施例，对连接装置模型的构建过程进行详细的说明。
建立法兰模型，法兰20的尺寸定义如下表2所示。
法兰底部圆柱高度(Hfalandi) 10mm 法兰底部圆柱半径(Rfalandi) 140mm
法兰顶部圆柱高度(Hfalanding) 50mm 法兰顶部圆柱半径(Rfalanding) 73mm
表2
如表2所示，在将坐标(0，0，Hfutiao)处建立圆柱建立半径为Rfalandi，高度为Hfalandi的圆柱，作为法兰20的底部结构。
在坐标(0，0，Hfutiao+Hfalandi)处建立圆柱建立半径为Rfalanding，高度为Hfalanding的圆柱，作为法兰20的顶部结构。
建立连接头模型，连接头25的尺寸定义如下表3所示。
表3
如表3所示，在将坐标(0，0，Hfutiao)处建立圆柱建立半径为Rlianjietoudi，高度为Hlianjietoudi的圆柱，作为连接头25的底部结构。
在坐标(0，0，Hfutiao+Hlianjietoudi)处建立圆柱建立半径为Rlianjietouding，高度为Hlianjietouding的圆柱，作为连接头25的顶部结构。
此外，对法兰模型和连接头模型进行布尔运算，删除重叠部分，并对连接头模型上部加载处执行挖孔等操作，以及修饰法兰模型和连接头模型中的细节，以及统一对法兰模型和连接头模型的互相接触的部位进行粘贴操作。此外，连接装置模型的三维模型如图4所示。随后，将骨骼模型和连接头模型进行装配，得到初始头锥模型，如图5所示。
23)、初始头锥模型的离散化处理
根据头锥的材料属性，对初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型包括：获取材料属性信息；对骨架模型和连接装置模型进行网格划分，以使骨架模型和连接装置模型划分为多个单元，并根据材料属性信息，定义骨架模型和连接装置模型中的每个单元的尺寸，其中，材料属性信息至少包括：弹性模量信息、泊松比信息、密度信息、单元类型信息，从而方便进行有限元计算。
下面通过具体的实施例，对初始头锥模型的离散化处理过程进行详细的说明。
此外，已知底环10及辐条15的材料为铝管，材料属性及有限单元类型如下表4所示。
弹性模量 71GPa 泊松比 0.33
密度 2700kg/m3, 有限单元类型 BEAM188
表4
根据几何关系计算出铝管内半径Rin为：
Rin＝Routmin+(J-1)×(Routmax－Routmin)/Routnum，其中，Rin为铝管的内半径，Routmin为铝管截面外半径最小值，Routmax为铝管截面外半径最大值，Routnum为铝管截面外半径取值数量。
根据几何关系计算出铝管外半径Rout为：
Rout＝Rin+Tmin+(P-1)×(Tmax－Tmin)/Tnum；
其中，Rout为铝管外半径，Tmin为铝管的厚度最小值，Tmax为铝管的厚度最大值，Tnum为铝管的厚度取值数量。
随后，定义有限单元类型BEAM188的截面形状为圆环，并设置内外半径分别为Rin、Rout。
此外，已知法兰20及连接头25的材料为钢，材料属性及有限单元类型如下表5所示。
弹性模量 210GPa 泊松比 0.3
密度 7850kg/m3 有限单元类型 SOLID185
表5
随后，定义初始化头锥模型的梁单元的单元尺寸为100mm，法兰模型的单元尺寸为5mm，连接头25的底部单元尺寸为3mm，连接头25的顶部单元尺寸为2mm，从而采用自由划分网格方式对模型进行网格划分，得到离散化的头锥模型，如图6所示。
24)、定义单元耦合约束
将骨架模型和连接装置模型的接头处进行耦合约束包括：确定相邻的两个辐条15的延长线之间的夹角；根据夹角和辐条的数目信息，旋转头锥模型，并将夹角作为每次旋转的角度，且将辐条数目信息对应地数目作为旋转次数，从而在每次旋转后，将辐条15和连接头装置模型的接触点附近的节点进行耦合约束。
下面通过具体的实施例，对耦合约束过程进行详细的描述。
在辐条模型与法兰模型的接触处采用耦合约束的方式进行处理。
如图7所示，在此视角下相邻的两根辐条15的延长线之间夹角为α0，随后将坐标系逆时针旋转Nbarnum次，每次旋转角度为α0，并在每次旋转坐标系后选取辐条15端点附近的节点进行耦合约束，最终将整个模型连接起来，最终模型如图8所示，从而得到头锥模型。
25)、加载及结果后处理
根据本发明的一个实施例，根据载荷条件和边界条件，对头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存包括：根据载荷条件和边界条件，对头锥模型的顶部施压，并确定头锥模型中的所有单元中的最大应力值和其所对应的头锥模型的重量信息，以及分别将最大应力值和重量信息存储至第一数组和第二数组中。
下面通过具体的实施例，对加载及结果后处理过程进行详细的描述。
首先，如图9所示，选择头锥部位的网格，将其六个运动自由度全部约束住，随后对连接头25的顶部处施加X方向1.5kN，Y方向3kN，Z方向3kN的载荷，进行求解。随后在求解结束后，提取单元中的最大应力值，将其存入名为“maxstress”数组中的第Nmodel号元素中，以及求解结束后，计算结构重量值，将其存入名为“weight”数组中的第Nmodel号元素中。
计算结构重量值如下：weight[Nmodel]＝π×(Rout+Rin)×(Rout-Rin)×[2π×Rdihuan+Nbar×(Rdihuan-Rjietou)/cos(α0)]，其中，weight[Nmodel]为结构重量值，Rout为铝管外半径，Rin为铝管的内半径，Rdihuan为底环10半径，Nbar为辐条15数目，Rjietou为连接头半径底环10半径。
3、多个参数化模型的求解及最优方案选择
第2部分中的参数化建模过程为单个有限元模型的计算过程，针对多个参数值，本方案采用ANSYS软件中的APDL语言进行流程控制，程序可以在设定一系列参数后自动运行，并挑选合适的结果。
下面通过具体的实施例，对上述过程进行详细的描述。
在已知该种材料的强度极限值为620MPa，根据第一强度理论，头锥的最大应力值应小于强度极限。
此外，根据设计人员输入的参数，循环计算不同参数下模型的最大应力值和结构重量值，存入maxstress数组和weight数组中，随后在循环计算完成后，提取数组中的数值进行分析，具体地：首先选出maxtresss数组中，数值小于极限应力的元素编号，提取weight数组中对应编号元素的数值，对weight数组中的元素进行筛选，提取出数值最小的三个元素，应根据元素编号计算出初始定义的参数值，输出到文件中，输出界面如图10所示。另外，本领域的技术人员当然可以理解，除了选取最优的一组设计参数之外，还可输出选取几组备用方案。
下面结合实施例对以上本发明所述的方法进行详细说明。
实施例一：采用ANSYS进行参数化的有限元程序建模和计算
当用户输入一组参数后，ANSYS就可以进行有限元分析。下面介绍一个头锥的参数化建模和有限元分析过程。
第一步：在TXT文档中输入参数化建模的各类参数；
第二步：ANSYS建立文档，并将对应参数写入各个文档中；
第三步：根据参数进行建模和有限元分析，得到计算结果；
第四步：根据计算结果进行强度校核，并计算头锥重量。
实施例二：选择最优的底环10半径
第一步：在TXT文档中输入参数化建模的各类参数，其中仅有底环10半径不同，辐条15及底环10厚度、辐条15及底环10截面外半径、辐条15倾斜角、辐条15数目相同；
第二步：ANSYS建立多个文档，并将对应参数写入各个文档中；
第三步：根据不同参数进行建模和有限元分析，得到计算结果；
第四步：根据各参数下计算结果进行强度校核，并计算头锥重量，与其他结果进行比较，得到在符合强度标准的情况下，重量最轻的结果，并提供三个备选结果；
第五步：输出最优解及备选结果的参数值。
实施例三：在五个参数都不确定时，选择最优参数组合
第一步：在TXT文档中输入参数化建模的各类参数，其中底环10半径、辐条15及底环10厚度、辐条15及底环10截面外半径、辐条15倾斜角、辐条15数目皆不同；
第二步：ANSYS建立多个文档，并将对应参数写入各个文档中；
第三步：根据不同参数进行建模和有限元分析，得到计算结果；
第四步：根据各参数下计算结果进行强度校核，并计算头锥重量，并与其他结果进行比较，得到在符合强度标准的情况下，重量最轻的结果，并提供三个备选结果；
第五步：输出最优解及备选结果的参数值。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过该系留浮空器的头锥的设计方法，使得用户能够在进行有限元分析时不需要进行重复操作，只需要设定头锥参数即可轻松方便快捷地完成一个系列头锥型号的有限元分析，大大节省设计人员的时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种系留浮空器的头锥的设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取所述头锥的一组设计参数，其中，所述设计参数包括头锥的几何尺寸信息；
步骤S2，根据所述头锥的几何尺寸信息，分别构建骨架模型和连接装置模型，并将所述骨架模型和所述连接装置模型进行装配，得到初始头锥模型，
其中，构建所述骨架模型包括：根据所述几何尺寸信息中的多个元素，构建参数化模型；根据所述参数化模型和所述几何尺寸信息，分别确定所述骨架模型中的底环的半径信息、所述骨架模型中的辐条数目信息和辐条高度信息、和接头处的顶环的半径信息；根据所述底环的半径信息、所述辐条数目信息、所述辐条高度信息和所述顶环的半径信息，构建所述骨架模型，其中，所述骨架模型包括：底环、顶环、和设置在所述底环和所述顶环之间的多根辐条，
其中，构建所述连接装置模型包括：设置所述连接装置模型中的法兰的第一几何尺寸信息，并根据所述第一几何尺寸信息，构建所述连接装置模型中的法兰模型；设置所述连接装置模型中的连接头的第二几何尺寸信息，并根据所述第二几何尺寸信息，构建所述连接装置模型中的连接头模型；将所述法兰模型和所述连接头模型的重叠部分删除，从而所述法兰模型和所述连接头模型构成所述连接装置模型；
所述设计方法还包括：
步骤S3，对所述初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型，并且在所述离散化的头锥模型的基础上，将所述骨架模型和所述连接装置模型的接头处进行耦合约束，以得到头锥模型，
其中，进行所述耦合约束包括：确定相邻的两个所述辐条的延长线之间的夹角；根据所述夹角和所述辐条的数目信息，旋转所述头锥模型，并将所述夹角作为每次旋转的角度，且将所述辐条数目信息对应地数目作为旋转次数，从而在每次旋转后，将所述辐条和所述连接装置模型的接触点附近的节点进行耦合约束；
步骤S4，定义载荷条件和边界条件，以及根据所述载荷条件和所述边界条件，对所述头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存；
步骤S5，自动重复执行所述步骤S1至所述步骤S4，以得到多组不同的设计参数所对应的多个头锥模型的应力分析结果，以及根据已知的判定条件和多组所述应力分析结果，选取最优的一组设计参数。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述几何尺寸信息中的多个元素至少包括：所述辐条的内壁厚度信息、所述底环的内壁厚度信息、所述辐条的环截面的外半径信息、所述底环的环截面的外半径信息、所述底环的半径信息、所述辐条的倾斜角信息、所述辐条的数目信息。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一几何尺寸信息包括：法兰底部圆柱尺寸信息、法兰顶部圆柱尺寸信息。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第二几何尺寸信息包括：连接头底部尺寸信息、连接头顶部尺寸信息。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，根据所述头锥的材料属性，对所述初始头锥模型进行离散处理，以得到离散化的头锥模型包括：
获取材料属性信息；
对所述骨架模型和所述连接装置模型进行网格划分，以使所述骨架模型和所述连接装置模型划分为多个单元，并根据所述材料属性信息，定义所述骨架模型和所述连接装置模型中的每个单元的尺寸。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述材料属性信息至少包括：弹性模量信息、泊松比信息、密度信息、单元类型信息。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，根据所述载荷条件和所述边界条件，对所述头锥模型进行应力分析，并将应力分析结果进行保存包括：
根据所述载荷条件和所述边界条件，对所述头锥模型的顶部施压，并确定所述头锥模型中的所有单元中的最大应力值和其所对应的头锥模型的重量信息，以及分别将所述最大应力值和所述重量信息存储至第一数组和第二数组中。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，通过后台调用ANSYS软件来执行所述头锥的设计方法。
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