CN110427645A - 基于ansys/ls-dyna的apdl语言的舰船舱室快速建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ANSYS/LS‑DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，首先将舱室各面板及其加强筋结构各关键尺寸参数化，然后利用APDL语言，对舱壁与加强筋重叠区域进行共节点设置，建立舱室各面板和加强筋的实体模型，采用循环指令，控制间距并变换工作面的位置和方向对模型进行快速切割；再利用特定尺寸的六面体实体单元对舱室模型和空气域进行网格快速划分，采用固连断裂接触模型(TSTS)定义舱壁间焊接结构，建立舰船舱室有限元分析模型。本发明采用共节点法和固连断裂失效法对单一舱壁内焊接结构进行定义，提升舰船舱室内爆试验毁伤效应研究的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及船体建模的技术领域，具体涉及一种基于 ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法。。
背景技术
舱室结构对爆炸载荷的响应分析是舰船结构设计和战斗部毁伤威力评估均必不可少的内容之一，由于等比例舰船舱室的内爆试验成本较高，试验通常仅能获得一组工况下的数据结果，且结果偶然性较大，因此现多采用理论计算与数值模拟相结合的方式，对舱室内的超压、舱壁形变以及内部震动等问题进行分析。其中ANSYS/LS-DYNA是较为常用的有限元分析软件之一，常用于解决二维、三维非线性结构的碰撞、爆炸、侵彻和金属成型等非线性动力学问题。由于舱室内加强筋结构纵横交错，采用GUI的常用方法进行建模易出现错误，且建模过程中一旦对参数进行修改，需要设计人员重新进行建模，期间会做大量重复性工作，极其费时繁琐，使得设计过程不够灵活。
因此，为解决上述问题，迫切需要设计可快速建立带加强筋的舰船舱室模型的参数化建模方法，在提高分析结果精确性的同时，大大提高建模的效率。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于 ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，以解决舰船舱室内爆仿真分析过程中，对任何参数的修改都能迅速的得到相应的模型，获得全部为六面体单元的有限元模型，进行三维有限元精细建模以及边界条件的施加，并可以准确定义舱室内焊接结构，以便于进行爆炸分析的问题。
本发明提供了一种基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，采用APDL语言快速建立带加强筋的舱室几何模型；
步骤2，采用APDL语言快速对舱室和空气进行网格划分；
步骤3，采用APDL语言定义相邻舱壁间的焊接结构及边界条件；
步骤4，将生成的计算数据信息文件导出并导入 ANSYS/LS-DYNA软件中进行计算，得到模型的计算结果。
上述技术方案中，步骤1包括以下步骤：根据仿真所设定的单位制，将舱室各面板及其加强筋结构的关键尺寸参数化，包括舱室的长度、宽度、高度，各面板的厚度，加强筋T型钢的尺寸、球扁钢的尺寸，加强筋在面板上的分布间隔；然后在ANSYS/LS-DYNA中用APDL参数化语言建立舱室各面板和加强筋的实体模型。
上述技术方案中，步骤2包括以下步骤：采用循环指令，控制间距并变换工作面的位置和方向对模型进行快速切割；利用特定尺寸六面体实体单元对舱室模型和空气域进行网格快速划分，输入不同的初始参数，建立新的不同结构尺寸、不同加强筋设置舱室的有限元模型。
上述技术方案中，步骤3包括以下步骤：采用固连断裂接触模型，设置断裂应力，对舱壁间焊接结构进行定义，最后创建组(part)组件，施加边界条件，设定分析选项。
上述技术方案中，步骤4导出后缀为.k的计算数据信息文件并导入ANSYS/LS-DYNA软件求解器中进行计算，可得到爆轰波对舱室毁伤分析、炸药在舱室内爆炸流场速度等分析结果。
上述技术方案中，步骤1包括以下步骤：
1.1)设定舱壁宽度、长度、高度、厚度的字母代号，并根据需要建立的舱室实际尺寸赋值；
1.2)采用SOLID164ANSYS/LS-DYNA中编号为164的实体单元设定模型的单元类型、物质空间并对舱壁材料进行基本定义：对于舱壁采用拉格朗日(Lagrangian)物质空间，舱壁外气体以及炸药单元采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)物质空间，舱壁材料仅需设定材料号，具体本构关系与状态方程通过单独运算文件进行定义；
1.3)建立带加强筋舱壁的几何模型：采用Block指令建立舱壁和加强筋的集合模型，通过VGEN指令设定复制间距相同的加强筋，其中同一舱壁内的加强筋与舱壁的焊接采用共节点的方式定义，通过VOVLAP指令进行实体搭接，后分别设定材料属性；
1.4)为带加强筋的舱壁几何体分割：通过旋转工作坐标系，将带加强筋的舱壁沿边界进行切割，确保舱室几何模型被切割成若干规则六面体；
1.5)建立空气域和炸药模型。
上述技术方案中，步骤2包括以下步骤：
2.1)选择组件(Component)对舱室舱壁、加强筋以及空气域进行网格划分，通过LESIZE语句设定网格尺寸，对模型进行扫掠网格(SWEEP)划分；
2.2)将各舱壁以及空气域重新分配组(Part)号使其在数值计算后的后处理中更加直观的显示各个区域的计算数据。
上述技术方案中，步骤3包括以下步骤：
3.1)设定焊接结构主面(Master)组件：选择焊接区域的点(Node)单元，通过创建组件(Create Component)指令，将选定的焊接点(Node)单元设置为一个名字为主面(Master) 的建立组件(Component)；
3.2)设定焊接结构从面(Slave)组件：选择焊接区域的点(Node)单元，通过创建组件(Create Component)指令，将选定的焊接点(Node)单元设置为一个名字为从面(Slave)的组件(Component)；建立组件(Component)；
3.3)设定主从面的接触方式：采用固连断裂接触模型 (TSTS),设定焊接结构的失效应力，从而实现对焊接结构的定义；
3.4)设定对称边界和无反射边界；
3.5)设定运算参数，施加边界条件，设定分析选项。
本发明针对目前舰船舱室内爆炸分析领域存在的舱室模型建模周期长、效率低下、不便于进行六面体网格划分等诸多缺陷，发明了一种高效可靠的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL 语言的舱室实体模型建模方法，解决了上述传统方法带来的不足与缺陷，大大缩短了建模周期，显著提高了模型建立和网格划分效率和计算精度，提升舰船舱室内爆试验毁伤效应研究的可靠性。本发明通过模型验证，能够符合目前有限元分析指标的要求，仅需通过APDL语句输入舱室板材、型材的基本尺寸，即可快速生成网格效果良好的舱室有限元模型，大大提高了模型建立和网格划分效率，增加了舰船舱室内爆试验毁伤效应研究的可靠性，通过修改舱室内舱壁和加强筋的初始参数，使得研究人员在设计过程中不再因修改一个尺寸参数而需要重复整个有限元模型建立的过程，将工作量大大降低。且模型可较好的体现舱壁与加强筋间的焊接结构，能够通过数值计算得到较为准确的舱室在爆炸作用下的响应结果。
附图说明
图1舱室实体模型有限元建模过程原理流程图；
图2舱室(1/2)整体有限元模型图
图3带加强筋舱壁局部有限元模型图
图4爆轰波对舱室毁伤分析效果图
图5炸药在舱室内爆炸流场速度云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明的技术方案可概括为：根据舰船舱室模型各种动力学分析的应用需求，提出基于ANSYS/LS-DYNA 的APDL语言的舱室实体模型快速建模方法，通过各特征尺寸的参数化建模、工作平面切割、网格划分、k文件输出等过程，完成舱室实体模型快速建模，具体步骤为：
步骤1、采用APDL语言快速建立带加强筋的舱室几何模型：
1.1)设定舱壁宽度、长度、高度、厚度等的字母代号，并根据需要建立的舱室实际尺寸赋值；
具体实施例1的参数设置如下(括号中为指令对应的程序语言)：
建立长5m、宽4m、高2.5m的1/2舱室模型，默认单位制为cm-g-μs/(PREP7)，其中舱室宽度400cm(W＝400)； 1/2舱室长度500cm(L＝500/2)；舱室高度250cm(H＝250)；顶舱壁厚度0.8cm(Tup＝0.8)；底舱壁与侧舱壁厚度0.8cm (Tdown＝0.8)；
1.2)设定模型的单元类型、物质空间并对舱壁材料进行基本定义：均采用SOLID164实体单元，对于舱壁采用 Lagrangian空间，舱壁外气体以及炸药单元采用ALE物质空间，舱壁材料仅需设定材料号，具体本构关系与状态方程通过单独运算文件进行定义。
1.3)建立带加强筋舱壁的几何模型：采用Block指令建立舱壁和加强筋的集合模型，通过VGEN指令设定复制间距相同的加强筋，其中同一舱壁内的加强筋与舱壁的焊接采用共节点的方式定义，通过VOVLAP指令进行实体搭接，后分别设定材料属性。
具体实施例1的参数设置如下(括号中为指令对应的程序语言)：
建立1/2舱壁实体模型
(BLOCK,0,L,H/2-0.8,H/2,-W/2,W/2,)，选择实体下级所有模型(VSEL,U,,,ALL；ALLSEL,BELOW,VOLU)，建立加强筋实体模型
(BLOCK,100-0.3,100+0.3,H/2-0.8-6,H/2,-W/2+0.8,W/2-0. 8)；复制加强筋实体模型，间隔100cm (VGEN,2,ALL,,,100,,,,0)；选择所有模型(ALLSEL,ALL)；进行实体布尔操作，将实体进行搭接(VOVLAP,all)；创建组件，命名为Up(CM,Up,VOLU)
1.4)为带加强筋的舱壁几何体分割：通过旋转工作坐标系(WorkPlane)，将带加强筋的舱壁沿边界进行切割，确保舱室几何模型被切割成若干规则六面体；
1.5)建立空气域和炸药模型；
步骤2、采用APDL语言快速对舱室和空气进行网格划分：
2.1)选择组件(Component)进行网格划分：通过LESIZE 语句设定网格尺寸，对模型进行扫掠网格(SWEEP)划分；
具体实施例1的参数设置如下(括号中为指令对应的程序语言)：
选择所有模型(ALLSEL,ALL)；不选择命名为AIR的组件(CMSEL,U,AIR)；选择实体下级所有模型 (ALLSEL,BELOW,VOLU)；对所有线段进行划分，尺寸为5cm (LESIZE,ALL,5,,,,1,,,0)；对所有实体进行扫掠划分网格 (VSWEEP,ALL)
2.2)重新分配Part号：为更方便地对计算结果进行分析，重新分配Part号。
步骤3、采用APDL语言定义相邻舱壁间的焊接结构及边界条件：
3.1)设定焊接结构主面(Master)组件：选择焊接区域的点(Node)单元，建立组件(Component)；如：
具体实施例1的参数设置如下(括号中为指令对应的程序语言)：选择命名为UP的组件(CMSEL,S,UP)；选择实体下级所有模型(ALLSEL,BELOW,VOLU)；选择Y位置为H/2-0.8的节点(NSEL,R,LOC,Y,H/2-0.8-0.01,H/2-0.8+0.01)；选择Z 位置为(W/2-0.8,W/2)之间的节点 (NSEL,R,LOC,Z,W/2-0.8,W/2)；将所选择的节点命名为 Master1(CM,Master1,NODE)
3.2)设定焊接结构从面(Slave)组件：选择焊接区域的点 (Node)单元，建立组件(Component)；
具体实施例1的参数设置如下(括号中为指令对应的程序语言)：选择命名为Before的组件(CMSEL,S,Before)，选择实体下级所有模型(ALLSEL,BELOW,VOLU)，选择Y位置为 H/2-0.8的节点(NSEL,R,LOC,Y,H/2-0.8-0.01,H/2-0.8+0.01)，将所选择的节点命名为Slave1(CM,Slave1,NODE)
3.3)设定主从面的接触方式：采用固连断裂接触模型 (TSTS),设定焊接结构的失效应力，从而实现对焊接结构的定义；
3.4)设定对称边界和无反射边界；
3.5)设定运算参数。
步骤4，将生成的计算数据信息文件导出并导入 ANSYS/LS-DYNA软件中进行计算，得到模型的计算结果，舱室结构应变云图如图4所示，在冲击波作用下，舱室结构发生变形，并在压力作用下从焊缝处发生破坏；爆炸产物流体速度如图5所示，冲击波在舱室结构处反射，在角隅部位形成汇聚。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，采用APDL语言快速建立带加强筋的舱室几何模型；
步骤2，采用APDL语言快速对舱室和空气进行网格划分；
步骤3，采用APDL语言定义相邻舱壁间的焊接结构及边界条件；
步骤4，将生成的计算数据信息文件导出并导入ANSYS/LS-DYNA软件中进行计算，得到模型的计算结果。
2.根据权利要求1所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于步骤1包括以下步骤：根据仿真所设定的单位制，将舱室各面板及其加强筋结构的关键尺寸参数化，包括舱室的长度、宽度、高度，各面板的厚度，加强筋T型钢的尺寸、球扁钢的尺寸，加强筋在面板上的分布间隔；然后在ANSYS/LS-DYNA中用APDL参数化语言建立舱室各面板和加强筋的实体模型。
3.根据权利要求1所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于步骤2包括以下步骤：采用循环指令，控制间距并变换工作面的位置和方向对模型进行快速切割；利用特定尺寸六面体实体单元对舱室模型和空气域进行网格快速划分，输入不同的初始参数，建立新的不同结构尺寸、不同加强筋设置舱室的有限元模型。
4.根据权利要求1所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于步骤3包括以下步骤：采用固连断裂接触模型，设置断裂应力，对舱壁间焊接结构进行定义，最后创建组(part)组件，施加边界条件，设定分析选项。
5.根据权利要求1所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于可导出后缀为.k的计算数据信息文件并导入ANSYS/LS-DYNA软件的求解器中进行计算，得到爆轰波对舱室毁伤分析、炸药在舱室内爆炸流场速度等分析结果。
6.根据权利要求2所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于步骤1包括以下步骤：
1.1)设定舱壁宽度、长度、高度、厚度的字母代号，并根据需要建立的舱室实际尺寸赋值；
1.2)采用ANSYS/LS-DYNA中编号为SOLID164的实体单元设定模型的单元类型、物质空间并对舱壁材料进行基本定义：对于舱壁采用拉格朗日(Lagrangian)物质空间，舱壁外气体以及炸药单元采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)物质空间，舱壁材料仅需设定材料号，具体本构关系与状态方程通过单独运算文件进行定义；
1.3)建立带加强筋舱壁的几何模型：采用Block指令建立舱壁和加强筋的集合模型，通过VGEN指令设定复制间距相同的加强筋，其中同一舱壁内的加强筋与舱壁的焊接采用共节点的方式定义，通过VOVLAP指令进行实体搭接，后分别设定材料属性；
1.4)为带加强筋的舱壁几何体分割：通过旋转工作坐标系，将带加强筋的舱壁沿边界进行切割，确保舱室几何模型被切割成若干规则六面体；
1.5)建立空气域和炸药模型。
7.根据权利要求3所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于步骤2包括以下步骤：
2.1)选择组件(Component)对舱室舱壁、加强筋以及空气域进行网格划分，通过LESIZE语句设定网格尺寸，对模型进行扫掠网格(SWEEP)划分；
2.2)将各舱壁以及空气域重新分配组(Part)号使其在数值计算后的后处理中更加直观的显示各个区域的计算数据。
8.根据权利要求4所述的基于ANSYS/LS-DYNA的APDL语言的舰船舱室快速建模方法，其特征在于步骤3包括以下步骤：
3.1)设定焊接结构主面(Master)组件：选择焊接区域的点(Node)单元，通过创建组件(Create Component)指令，将选定的焊接点(Node)单元设置为一个名字为主面(Master)的建立组件(Component)；
3.2)设定焊接结构从面(Slave)组件：选择焊接区域的点(Node)单元，通过创建组件(Create Component)指令，将选定的焊接点(Node)单元设置为一个名字为从面(Slave)的组件(Component)；建立组件(Component)；
3.3)设定主从面的接触方式：采用固连断裂接触模型(TSTS),设定焊接结构的失效应力，从而实现对焊接结构的定义；
3.4)设定对称边界和无反射边界；
3.5)设定运算参数，施加边界条件，设定分析选项。
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