CN110110492B - 一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法 - Google Patents
一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110110492B CN110110492B CN201910461892.8A CN201910461892A CN110110492B CN 110110492 B CN110110492 B CN 110110492B CN 201910461892 A CN201910461892 A CN 201910461892A CN 110110492 B CN110110492 B CN 110110492B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- node
- freedom
- wing
- nodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 claims description 20
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 8
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 claims description 8
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 18
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 4
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 4
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229920006267 polyester film Polymers 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instructional Devices (AREA)
Abstract
一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；(6)创建作业，提交计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种有限元建模方法，具体涉及一种含两节点弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法。
背景技术
自然界中的昆虫翅膀轻薄柔软，又具有优秀的结构性能，是仿生翼的主要模仿对象。其中，翅膀的柔性不仅与材料相关，还得益于翅脉之间的连接方式。实验表明在大部分昆虫翅膀的翅脉节点处分布丰富的软物质。它的弹性模量显著低于翅脉和翅膜，并具有高弹性。传统仿生翼的建模方法主要关注翅膀上的翅脉和翅膜两个主要组成部分，缺乏细节的设置，往往忽略翅脉节点处的软物质及其柔性。这种仿生翼模型直接采用骨架之间固结或铰接的方式连接，不能准确反应出昆虫翅膀整体的刚度分布及变形等力学性能。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：
(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；
(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；
(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；
(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；
(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；
(6)创建作业，提交计算；
所述刚度为线性或非线性。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。
在一些实施方式中，所述步骤(2)中，对于模型A，赋予圆形、矩形或环状截面；对于模型B，赋予均匀厚度、变厚度或层状壳截面。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。
在一些实施方式中，比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；
在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型B的表面为主控面，模型A所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
在一些实施方式中，所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2。
在一些实施方式中，对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合。
在一些实施方式中，分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加两节点弹簧单元。
在一些实施方式中，指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向。
在一些实施方式中，在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点在不同自由度方向上的刚度。
在一些实施方式中，所述指定坐标系为全局坐标系或局部坐标系。
在一些实施方式中，所述自由度的数量为1-6个。
在一些实施方式中，所述自由度为平动自由度和/或转动自由度。
在一些实施方式中，所述自由度为平动自由度。
在一些实施方式中，所述自由度为转动自由度。
在一些实施方式中，所述步骤(5)中，定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移、应力、能量、模态中的至少一种。
在一些实施方式中，所述步骤(5)中，翅膀根部为固定端边界条件，施加载荷。
在一些实施方式中，所述载荷至少包括压强、集中力或弯矩中的一种。
在一些实施方式中，对于模型A，设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或Euler-Bernoulli梁单元模拟。
在一些实施方式中，若骨架结构为细长构件，优选应用Euler-Bernoulli梁单元模拟。
在一些实施方式中，对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的的壳单元或薄壳单元模拟。
在一些实施方式中，若蒙皮为薄壳结构，优选应用薄壳单元模拟。
在一些实施方式中，对于各处骨架节点，均按照步骤(4)进行设置。
在一些实施方式中，所述步骤(6)中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，提交计算即可。
本发明的第二方面提供一种如上所述的有限元建模方法的应用，应用于矩形柔性仿生翼、三角型柔性仿生翼、四分之一椭圆型柔性仿生翼。
本发明在仿生翼的有限元建模中，不仅将仿生翼视作一个包括骨架结构和蒙皮结构的整体，也考虑到了细节设置，尤其是骨架结构之间的连接方式的多样性。并不像现有技术那样全部采用固结处理，限制相连骨架之间所有的自由度；或者直接设置铰接连接，释放相连骨架之间所有的自由度。相比与现有技术，本发明中通过两节点弹簧单元的定义以及弹簧刚度的设置，不仅可以自定义相连骨架之间在三个转动方向上的转动自由度，同时也实现了转角和扭矩之间的线性或非线性关系。
在本发明中，通过设置弹簧单元刚度在不同自由度方向上的线性或非线性关系，完美模拟软物质在昆虫翅膀上的功能，有效实现柔性仿生翼的性能。目前没有类似的设计。
附图说明
图1为本发明建模方法流程示意图；
图2为弹簧单元的作用原理示意图；
图3为含弹簧单元矩形柔性仿生翼及其模态分析示意图；
图4为含弹簧单元三角型柔性仿生翼及其模态分析示意图；
图5为含弹簧单元四分之一椭圆型柔性仿生翼及其模态分析示意图；
图中各标记如下，1为纵向骨架，2为横向骨架，3为蒙皮结构，4为添加弹簧单元的节点。
具体实施方式
本发明建模方法的流程示意图如图1所示。
本发明提供一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：
(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；
(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；
(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；
(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；
(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；
(6)创建作业，提交计算；
所述刚度为线性或非线性。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。
在一些实施方式中，所述步骤(2)中，对于模型A，赋予圆形、矩形或环状截面；对于模型B，赋予均匀厚度、变厚度或层状壳截面。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。
在一些实施方式中，比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；
在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中，限定模型B的表面为主控面，模型A所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
在一些实施方式中，所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2。
在一些实施方式中，对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合。
在一些实施方式中，分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加弹簧单元。
在一些实施方式中，指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向。
在一些实施方式中，在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点的自由度，分别赋予刚度。
在一些实施方式中，所述指定坐标系为全局坐标系或局部坐标系。
在一些实施方式中，所述自由度的数量为1-6个。
在一些实施方式中，所述自由度为平动自由度和/或转动自由度。
在一些实施方式中，所述自由度为平动自由度。
在一些实施方式中，所述自由度为转动自由度。
在一些实施方式中，所述步骤(5)中，定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移、应力、能量、模态中的至少一种。
在一些实施方式中，所述步骤(5)中，翅膀根部为固定端边界条件，施加载荷。
在一些实施方式中，所述载荷至少包括压强、集中力或弯矩中的一种。
在一些实施方式中，对于模型A，设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或Euler-Bernoulli梁单元模拟。
在一些实施方式中，若骨架结构为细长构件，优选应用Euler-Bernoulli梁单元模拟。
在一些实施方式中，对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的的壳单元或薄壳单元模拟。
在一些实施方式中，若骨架结构为薄壳构件，优选应用薄壳单元模拟。
在一些实施方式中，对于各处骨架节点，均按照步骤(4)进行设置。
在一些实施方式中，所述步骤(6)中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，提交计算即可。
本发明的第二方面提供一种如上所述的有限元建模方法的应用，应用于矩形柔性仿生翼、三角型柔性仿生翼、四分之一椭圆型柔性仿生翼。
发明人在柔性仿生翼的有限元建模研究中考虑昆虫翅膀翅脉节点处的软物质及其形成的柔性翅脉节点，设计了柔性仿生翼。克服了现有技术的仿生翼模型无法准确模拟昆虫翅膀整体和局部刚度分布等力学性能的缺点。
本发明所涉及的弹簧单元的作用原理如图2所示。
在完成本发明的过程中，发明人发现昆虫翅脉节点处分布的软物质具有低模量、高弹性的性能，由于其形状及分布不规则，在有限元模拟过程中存在技术困难。发明人经过长期的研究发现，通过在有限元软件Abaqus中定义两节点弹簧单元Spring2并设置其在不同自由度方向上的刚度，不仅能够准确模拟昆虫翅脉在节点处的相对转动，同时实现了柔性节点的灵活设置以及柔性仿生翼的建模。
此外，发明人还预料不到地发现，通过弹簧单元不仅能够实现对翅脉节点处的软物质的柔性进行模拟；同时对于具有不同翅脉分布规律的仿生翼，能够根据气动需求分别调节仿生翼的弯曲和扭转变形情况。
实施例1
一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：
(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；
(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；
(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；
(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；
(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；
(6)创建作业，提交计算。
所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据在展弦比在展向均匀分布型昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制矩形仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。
所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。
所述步骤(2)中，对于模型A，赋予圆形截面；对于模型B，赋予均匀厚度截面。
所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。
比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；
所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2。
对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合。
分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加3组弹簧单元。
指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向。
在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点的自由度，分别赋予刚度。
所述指定坐标系为全局坐标系。
所述自由度的数量为3个。
所述自由度为转动自由度。
所述刚度为线性。
所述步骤(5)中，输出变量为自振频率和模态。
所述步骤(5)中，翅膀根部为固定端边界条件。
对于模型A，设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元B31模拟。
对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的的壳S4R单元模拟。
对于各处骨架节点，均按照步骤(4)进行设置。
所述步骤(6)中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，提交计算即可。
采用Abaqus软件建立仿生翼如图3(a)所示，其中展长40mm，弦长10.5mm。骨架结构为圆形截面，半径为60μm和30μm两种；蒙皮结构的厚度均匀，为15μm。骨架结构和蒙皮分别采用不锈钢和聚酯薄膜，其杨氏模量分别为187GPa和4GPa，泊松比分别为0.32和0.38，密度分别为7.93g/cm3和2.5g/cm3。
对于上述模型中纵向骨架与横向骨架相连的三个节点处，设置两节点弹簧单元，并在节点第4、5、6三个自由度方向上分别定义弹簧刚度为0.001，表示产生1弧度的扭转角需要0.001N·mm的力矩。为了对比研究，同时考虑骨架节点全部固结的模型，即未在三个节点处添加两节点弹簧单元的模型。对上述两个模型进行模态分析，并提取前两阶模态和频率示于图3(b)。其中一阶为弯曲模态，二阶为扭转模态，其相应的自然频率可反映出仿生翼结构的弯曲刚度和扭转刚度。
结果表明，添加两节点弹簧单元之后，仿生翼结构整体的弯曲刚度和扭转刚度均发生变化。其中节点固结仿生翼的前两阶自振频率分别为27.15Hz和133.97Hz，含弹簧单元柔性仿生翼的前两阶自然频率分别为27.13Hz和123.49Hz，分别降低0.08％和7.8％。这意味着弹簧单元对矩形柔性仿生翼扭转刚度的影响更加明显，使得仿生翼的扭转刚度降低、在空气载荷作用下更容易发生扭转变形。
实施例2
一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：
(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；
(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；
(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；
(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；
(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；
(6)创建作业，提交计算。
所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据展弦比在展向线性减小型昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制三角型仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。
所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。
所述步骤(2)中，对于模型A，赋予环状截面；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面。
所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。
比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；
所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2。
对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合。
分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加弹簧单元。
指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向。
在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点的自由度，分别赋予刚度。
所述指定坐标系为局部坐标系。
所述自由度的数量为3个。
所述自由度为转动自由度。
所述刚度为线性。
所述步骤(5)中，输出变量为自振频率和模态。
所述步骤(5)中，翅膀根部为固定端边界条件。
对于模型A，设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元B31模拟。
对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的的壳单元S4R模拟。
对于各处骨架节点，均按照步骤(4)进行设置。
所述步骤(6)中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，提交计算即可。
采用Abaqus软件建立仿生翼如图4(a)所示，其中展长40mm，最大弦长21mm。骨架结构为环状截面，半径为60μm和30μm两种，对应的厚度分别30μm和15μm；蒙皮结构的厚度均匀，为10μm。骨架结构和蒙皮分别采用碳纤维环氧树脂和聚乙烯，其杨氏模量分别为170GPa和3.3GPa，泊松比分别为0.3和0.35，密度分别为1.5g/cm3和0.95g/cm3。
对于上述模型中纵向骨架与横向骨架相连的三个节点处，设置两节点弹簧单元，并在节点的第4个自由度方向上定义弹簧刚度为0.0001，在第5、6个自由度上定义弹簧刚度为0.001。为了对比研究，同时考虑骨架节点全部固结的模型，即未在三个节点处添加两节点弹簧单元的模型。对上述两个模型进行模态分析，并提取前两阶模态和频率示于图4(b)。其中一阶为弯曲模态，二阶为扭转模态，其相应的自然频率可反映出仿生翼结构的弯曲刚度和扭转刚度。
结果表明，添加两节点弹簧单元之后，仿生翼结构整体的弯曲刚度和扭转刚度均发生变化。其中节点固结仿生翼的前两阶自振频率分别为170.09Hz和445.53Hz，含弹簧单元柔性仿生翼的前两阶自然频率分别为105.65Hz和423.68Hz，分别降低37.7％和4.9％。这意味着弹簧单元对三角型柔性仿生翼弯曲刚度的影响更加明显，使得仿生翼的弯曲刚度降低、在空气载荷作用下更容易发生弯曲变形。
实施例3
一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：
(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；
(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；
(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；
(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；
(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；
(6)创建作业，提交计算。
所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据展弦比在展向非线性减小型昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制四分之一椭圆型仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件。
所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。
所述步骤(2)中，对于模型A，赋予矩形截面；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面。
所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。
比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；
所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。
所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2。
对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合。
分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加弹簧单元。
指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向。
在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点的自由度，分别赋予刚度。
所述指定坐标系为局部坐标系。
所述自由度的数量为2个。
所述自由度为转动自由度。
所述刚度为线性。
所述步骤(5)中，输出变量为自振频率和模态。
所述步骤(5)中，翅膀根部为固定端边界条件。
对于模型A，设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元B31模拟。
对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的的壳单元S4R模拟。
对于各处骨架节点，均按照步骤(4)进行设置。
所述步骤(6)中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，提交计算即可。
采用Abaqus软件建立仿生翼如图5(a)所示，其中展长40mm，最大弦长13.33mm。骨架结构为长宽相等的矩形截面，边长分别为60μm和30μm两种；蒙皮结构厚度为8μm。骨架结构和蒙皮分别采用铝合金和聚氯乙烯，其杨氏模量分别为73GPa和3.4GPa，泊松比分别为0.3和0.28，密度分别为2.7g/cm3和1.5g/cm3。
对于上述模型中纵向骨架与横向骨架相连的五个节点处，设置两节点弹簧单元，并在节点的第4个自由度方向上定义弹簧刚度为0.0005，在第5个自由度上定义弹簧刚度为0.0001。为了对比研究，同时考虑骨架节点全部固结的模型，即未在三个节点处添加两节点弹簧单元的模型。对上述两个模型进行模态分析，并提取前两阶模态和频率示于图5(b)。其中一阶为弯曲模态，二阶为扭转模态，其相应的自然频率可反映出仿生翼结构的弯曲刚度和扭转刚度。
结果表明，添加两节点弹簧单元之后，仿生翼结构整体的弯曲刚度和扭转刚度均发生变化。其中节点固结仿生翼的前两阶自振频率分别为18.42Hz和77.39Hz，含弹簧单元柔性仿生翼的前两阶自然频率分别为16.03Hz和69.59Hz，分别降低41.3％和10.1％。这意味着弹簧单元对四分之一椭圆型柔性仿生翼弯曲刚度的影响更加明显，使得仿生翼的弯曲刚度降低、在空气载荷作用下更容易发生弯曲变形。
Claims (2)
1.一种含弹簧单元的柔性仿生翼的有限元建模方法，至少包括如下步骤：
(1)通过绘制草图、生成部件，建立模型A和模型B；
(2)分别赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；
(3)设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；
(4)定义弹簧单元，选择两节点弹簧单元Spring2，并分别设置每个节点在不同自由度方向上的刚度；
(5)定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；
(6)创建作业，提交计算；
所述刚度为线性或非线性；
所述步骤(1)中，建立模型A，模型A为仿生翼骨架结构，根据昆虫翅膀上翅脉的拓扑分布，绘制仿生翼骨架结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；
所述步骤(1)中，建立模型B，模型B为仿生翼蒙皮结构，根据昆虫翅膀上翅膜的拓扑形状，绘制可覆盖模型A的蒙皮结构草图，导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件；
所述步骤(2)中，对于模型A，赋予圆形、矩形或环状截面；对于模型B，赋予均匀厚度、变厚度或层状壳截面；
所述步骤(3)中，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动；
比较模型A和模型B的刚度，其中刚度较大的作为主控面，刚度较小的作为从属平面；
所述步骤(3)中，限定模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式；
所述步骤(3)中，限定模型B的表面为主控面，模型A所有节点所在平面为从属表面，设置主控面和从属表面之间的容差值，离散方式选择点对面的方式；
所述步骤(4)中，选择模型A中骨架连接处的、分别位于纵向骨架与横向骨架上的两个节点，建立两节点弹簧单元Spring2；
对模型A的纵向骨架与横向骨架进行分割，并建立相应的节点集合；
分别从两个节点集合中选择坐标相同的两个节点，依次添加两节点弹簧单元；
指定两节点弹簧单元的固定方向为轴向；
在指定坐标系下分别设置两节点弹簧单元中两个节点在不同自由度方向上的刚度；
所述指定坐标系为全局坐标系或局部坐标系；
所述自由度的数量为1-6个；
所述自由度为平动自由度和/或转动自由度。
2.一种如权利要求1所述的有限元建模方法的应用，其特征在于，
应用于矩形柔性仿生翼、三角型柔性仿生翼、四分之一椭圆型柔性仿生翼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910461892.8A CN110110492B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910461892.8A CN110110492B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110110492A CN110110492A (zh) | 2019-08-09 |
| CN110110492B true CN110110492B (zh) | 2023-12-01 |
Family
ID=67492997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910461892.8A Active CN110110492B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110110492B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112380741A (zh) * | 2020-10-31 | 2021-02-19 | 华南理工大学 | 一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法 |
| CN114802744B (zh) * | 2022-04-28 | 2024-07-16 | 北京航空航天大学 | 一种基于复合材料螺旋结构的微型扑翼飞行器仿生翼及制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109460590A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-03-12 | 上海海事大学 | 一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8601878B2 (en) * | 2008-05-02 | 2013-12-10 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Base excitation testing system using spring elements to pivotally mount wind turbine blades |
-
2019
- 2019-05-30 CN CN201910461892.8A patent/CN110110492B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109460590A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-03-12 | 上海海事大学 | 一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于Abaqus的磁保持继电器中弹片反力特性研究;苏秀苹等;《系统仿真学报》;20180408(第04期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110110492A (zh) | 2019-08-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tsushima et al. | Geometrically nonlinear static aeroelastic analysis of composite morphing wing with corrugated structures | |
| Keennon et al. | Development of the nano hummingbird: A tailless flapping wing micro air vehicle | |
| CN110110492B (zh) | 一种含弹簧单元的柔性仿生翼有限元建模方法 | |
| CN113158337B (zh) | 一种基于变弯度柔性后缘的机翼及其阵风响应减缓方法 | |
| Pendleton et al. | A flight research program for active aeroelastic wing technology | |
| CN110197033B (zh) | 一种含连接单元的柔性仿生翼有限元建模方法 | |
| Ghoman et al. | Multifidelity, multistrategy, and multidisciplinary design optimization environment | |
| CN112580241A (zh) | 一种基于结构降阶模型的非线性气动弹性动响应分析方法 | |
| Gamboa et al. | Design and testing of a morphing wing for an experimental UAV | |
| Lim et al. | An examination of aerodynamic and structural loads for a rotor blade optimized with multi-objective genetic algorithm | |
| Kitson et al. | Modeling and simulation of flexible jet transport aircraft with high-aspect-ratio wings | |
| Xiong et al. | Jig Twist Optimization of Mach 0.8 Transonic Truss-Braced Wing Aircraft | |
| Luo et al. | A 3D computational study of the flow-structure interaction in flapping flight | |
| CN109460590B (zh) | 一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法 | |
| Yang et al. | The three-dimensional flow simulation of a flapping wing | |
| Pankonien et al. | Multi-material printed trailing edge control surface for an aeroservoelastic wind tunnel model | |
| Xiong et al. | Aeroelastic Trim Drag Optimization of Mach 0.8 Transonic Truss-Braced Wing Aircraft using High-Lift Devices and Control Surfaces | |
| Quaranta et al. | Toward a computational framework for rotorcraft multi-physics analysis: Adding computational aerodynamics to multibody rotor models | |
| Knill | The application of aeroelastic analysis output load distributions to finite element models of wind | |
| Pontillo et al. | Low-order Aeroelastic Modelling of a High Aspect Ratio Wing Aircraft Under Constrained Motion | |
| Hinshaw | Analysis and design of a morphing wing tip using multicellular flexible matrix composite adaptive skins | |
| Melville | Modeling of gust energy extractions through aeroelastic tailoring | |
| Yang et al. | Improved Fluid-Structure Interface for Aeroelastic Computations with Non-Matching Outer Mold Lines | |
| Alyanak | Modeling for conceptual design: An aeroelastic approach | |
| Huebsch et al. | Aircraft morphing technologies |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |