CN111159954A

CN111159954A - 用于弹性元件的自由型面网格布局及有限元分析方法、系统及介质

Info

Publication number: CN111159954A
Application number: CN202010002757.XA
Authority: CN
Inventors: 张玉祥; 黄友剑; 林胜; 周炜; 葛琪; 刘文松; 程海涛
Original assignee: Zhuzhou Times New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou Times New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2040-01-02
Also published as: CN111159954B

Abstract

本发明公开了一种用于弹性元件的自由型面网格布局及有限元分析方法、系统及介质，本发明方法步骤包括获取弹性元件的截面及自由型面；在自由型面确定最低点并以最低点为基准进行分段；根据分段结果确定并获取多个基础控制点；从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线，通过基础控制线将截面上位于自由型面内侧的面域切割为多个闭合或不闭合的子面域；将子面域分别进行四面体网格布局形成全截面网格布局；根据全截面网格布局获取弹性元件的整体网格布局。本发明能够快速、有效对带有细部结构的定位节点全截面进行网格布局，其形成的网格本身具有更好的超大变形能力，抗网格畸变特性好，使得分析计算能够快速、有效的、准确地顺利完成。

Description

用于弹性元件的自由型面网格布局及有限元分析方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及弹性元件的有限元分析的网格布局技术，具体涉及一种用于弹性元件的自由型面网格布局及有限元分析方法、系统及介质，可适用于针对包括高速动车组用的定位节点、牵引节点、电机节点、自由型面褶皱以及发泡材料的超弹特性和自由型面网格变形接触的普通球铰类产品等在内的各类具有大载荷、高承载工况的各类弹性元件的网格布局及有限元分析。

背景技术

随着现代轨道交通的飞速发展，高速动车组越来越收到各国的重视，在世界范围内大力发展。高速动车组的速度等级也越来越高，已有400km/h、600km/h在研发试验。速度等级的提升意味着列车动力学特性的极大改变，其抗冲击载荷、抗疲劳特性、减振降噪要求也相应越来越高。高速动车组用定位节点因其可以适应超大变形、超高承载，具有优异的减振降噪性能和实用性，被广泛应用于各个类型高速动车组。

定位节点在设计制造过程中，一个重要的议题就是超大变形、高承载工况下橡胶自由面的设计及分析。橡胶自由面设计的优劣，直接关系到产品的变形能力、承载能力及抗疲劳可靠性。优良的橡胶自由面可以极大程度上提高产品变形能力、承载能力及抗疲劳性能，但要获得一个优良的橡胶自由型面，往往需要通过多轮的分析优化，目前都是采用有限元分析技术对其进行分析。但在利用有限元分析技术对定位节点橡胶自由型面进行分析、优化时，往往因为橡胶层超大变形、高承载工况下，橡胶自由型面褶皱以及橡胶材料的超弹特性和橡胶自由型面网格变形和接触，导致分析无法收敛进而计算失败。通过研究发现，橡胶自由面采用不同的网格划方法时，其分析的收敛性和分析精度大相径庭，不适当的网格划分方法导致无法进行准确的、多轮的优化分析，甚至一轮分析都难以进行。

而且，上述技术问题也普遍存在于不限于定位节点、不限于高速动车组的各类大冲击载荷、高疲劳寿命要求的弹性元件的自由型面超大变形、褶皱、大量接触的工况有限元分析，因此，如何在大冲击载荷、高疲劳寿命要求下如何确保弹性元件的自由型面超大变形、褶皱、大量接触的工况有限元分析的顺利进行，已经成为一项亟待关键的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于弹性元件的自由型面网格布局及有限元分析方法、系统及介质，本发明能够快速、有效对带有细部结构的定位节点全截面进行网格布局，其形成的网格本身具有更好的超大变形能力；在超大变形分析过程中具有更好的抗网格畸变的特性；特别在大变形条件下橡胶自由面发生褶皱后，具有有利于接触的特性；从而使得分析计算能够快速、有效的、准确地顺利完成；并且分析过程不易发生应力应变突变和不均匀，有效保证和提高单轮分析精度以及多轮分析的一致性，同时显著提升分析计算效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于弹性元件的自由型面网格布局方法，实施步骤包括：

1）获取弹性元件的截面及自由型面；

2）在截面的自由型面确定并获取最低点，将自由型面以最低点为基准进行分段；

3）根据分段结果确定并获取多个基础控制点；

4）从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线，从而通过基础控制线将截面上位于自由型面内侧的面域切割为多个闭合或不闭合的子面域；

5）将所述子面域分别进行四面体网格布局形成全截面网格布局；

6）根据全截面网格布局获取弹性元件的整体网格布局。

可选地，步骤2）中将自由型面以最低点为基准进行分段时得到的分区包括内侧细小结构区A、浅凹区B、深凹区C、外侧细小结构区D四个分区，所述浅凹区B、深凹区C均为一段连续曲线或几段曲率相近的曲线，其中所述内侧细小结构区A、浅凹区B位于最低点的内侧，所述深凹区C、外侧细小结构区D位于最低点的外侧，所述内侧细小结构区和外侧细小结构区位于靠近自由型面的边缘。

可选地，步骤3）中根据分段结果确定并获取得到的多个基础控制点包括：浅凹区B与深凹区C的连接点C0、浅凹区B包括关键控制点B1在内的至少一个基础控制点、深凹区C包括关键控制点C1在内的至少一个基础控制点，所述关键控制点B1位于浅凹区B上靠内侧的25±15%的位置区域上，所述关键控制点C1位于深凹区C上靠外侧的25±15%的位置区域上。

可选地，步骤4）中从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时，连接点C0向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线为沿弹性元件的截面长度方向，所述浅凹区B、深凹区C的基础控制点向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线为沿基础控制点所在曲线切线的法线方向。

可选地，步骤3）中根据分段结果确定并获取得到的多个基础控制点还包括浅凹区B与内侧细小结构区A的连接点B2、深凹区C与外侧细小结构区D的连接点C2两者中的至少其一。

可选地，步骤4）中从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时，所述连接点B2、连接点C2向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线为沿水平方向延伸。

此外，本发明还提供一种用于弹性元件的自由型面网格布局系统，包括：

截面及自由型面获取程序单元，用于获取弹性元件的截面及自由型面；

分段程序单元，用于在截面的自由型面确定并获取最低点，将自由型面以最低点为基准进行分段；

控制点获取程序单元，用于根据分段结果确定并获取多个基础控制点；

控制线获取程序单元，用于从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线，从而通过基础控制线将截面上位于自由型面内侧的面域切割为多个闭合或不闭合的子面域；

面网格布局程序单元，用于将所述子面域分别进行四面体网格布局形成全截面网格布局；

体网格布局程序单元，用于根据全截面网格布局获取弹性元件的整体网格布局。

此外，本发明还提供一种用于弹性元件的自由型面有限元分析方法，包括对弹性元件的自由型面进行网格布局的步骤，所述对弹性元件的自由型面进行网格布局的步骤包括所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的步骤。

此外，本发明还提供一种用于弹性元件的自由型面有限元分析系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的步骤或所述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的计算机程序或所述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的计算机程序或所述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明能够快速、有效对带有细部结构的定位节点全截面进行网格布局，其形成的网格本身具有更好的超大变形能力；在超大变形分析过程中具有更好的抗网格畸变的特性；特别在大变形条件下橡胶自由面发生褶皱后，具有有利于接触的特性；从而使得分析计算能够快速、有效的、准确地顺利完成。

2、本发明分析过程不易发生应力应变突变和不均匀，有效保证和提高单轮分析精度以及多轮分析的一致性，同时显著提升分析计算效率。

3、本发明可适用于包括高速动车组用的定位节点、牵引节点、电机节点、自由型面褶皱以及发泡材料的超弹特性和自由型面网格变形接触的普通球铰类产品等在内的各类具有大载荷、高承载工况的各类弹性元件，具有应用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例高速动车组用定位节点的弹性元件及其截面和自由型面示意图。

图2为本发明实施例方法的基本流程图。

图3为本发明实施例中的基础控制点和基础控制线示意图。

图4为本发明实施例中的截面网格布局示意图。

图5为本发明实施例中的分析云图。

具体实施方式

下文将以图1（a）所示高速动车组用定位节点为例，对本发明用于弹性元件的自由型面网格布局及有限元分析方法、系统及介质进行进一步的详细说明。

如图2所示，本实施例用于弹性元件的自由型面网格布局方法，实施步骤包括：

1）获取弹性元件的截面及自由型面，图1（a）中弹性元件1的截面如图1（b）所示，自由型面如图1（c）所示；

2）在截面的自由型面确定并获取最低点，将自由型面以最低点为基准进行分段；弹性元件1的截面的自由型面如图1（c）所示，其中最低点为点2；

3）根据分段结果确定并获取多个基础控制点；

5）将该子面域分别进行四面体网格布局形成全截面网格布局；

6）根据全截面网格布局获取弹性元件的整体网格布局。

如图3所示，本实施例步骤2）中将自由型面以最低点为基准进行分段时得到的分区包括内侧细小结构区A、浅凹区B、深凹区C、外侧细小结构区D四个分区，该浅凹区B、深凹区C均为一段连续曲线或几段曲率相近的曲线（自由型面曲线可能会存在多段曲率差异较大情况），其中该内侧细小结构区A、浅凹区B位于最低点的内侧，即：图1（b）中左侧，该深凹区C、外侧细小结构区D位于最低点的外侧，即：图1（b）中右侧，该内侧细小结构区和外侧细小结构区位于靠近自由型面的边缘。

如图3所示，本实施例步骤3）中根据分段结果确定并获取得到的多个基础控制点包括：浅凹区B与深凹区C的连接点C0、浅凹区B包括关键控制点B1在内的至少一个基础控制点、深凹区C包括关键控制点C1在内的至少一个基础控制点。由于自由型面曲线可能会存在多段曲率差异较大的的情况，因此根据分段结果确定并获取确定并获取得到的多个基础控制点时，浅凹区B与深凹区C的连接点C0可能为最低点（点2），也可能为最低点（点2）附近的两段曲率差异较大的自由型面线的连接点。

本实施例中，该关键控制点B1位于浅凹区B上靠内侧的25±15%的位置区域上，该关键控制点C1位于深凹区C上靠外侧的25±15%的位置区域上。25%位置是关键控制点B1和关键控制点C1的基准位置，15%为基准位置的裕量。25%位置为经验发现最容易确保有限元分析收敛的经验点，而且在浅凹区B、深凹区C 上要定位25%位置也具有操作方便快捷的优点（以在浅凹区B为例，可以先通过浅凹区B两端点的连线的中垂线确定浅凹区B上的中点，然后根据中点和内侧端点的连线的中垂线确定25%位置，即1/4的位置）。且经验发现基准位置的裕量15%范围内都基本能够实现有限元分析收敛。

如图3所示，本实施例步骤4）中从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时，连接点C0向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线（图3记为l _c0）为沿弹性元件的截面长度方向，该浅凹区B、深凹区C的基础控制点向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线（图3记为l _b1和l _c1）为沿基础控制点所在曲线切线的法线方向。

如图3所示，本实施例步骤3）中根据分段结果确定并获取得到的多个基础控制点还包括浅凹区B与内侧细小结构区A的连接点B2、深凹区C与外侧细小结构区D的连接点C2两者中的至少其一。内侧细小结构区A、外侧细小结构区D一般是指定位节点的包胶区域或者与包胶区域相临近的细小结构，其特点为很少参与形变。因此可根据实际情况需求，判定是否必须参与计算进而进行简化，例如单侧保留、另一侧去除（对应保留连接点B2或连接点C2），或者双侧去除（对应不需要连接点B2和连接点C2）等，如果不简化则对应保留连接点B2或连接点C2。因此具体如何简化就会直接影响是否需要连接点B2和连接点C2。

如图3所示，本实施例步骤4）中从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时，该连接点B2、连接点C2向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线（图3记为l _b2和l _c2）为沿水平方向延伸，该方式可将很少参与形变的内侧细小结构区A、外侧细小结构区D的情况考虑在内，由于浅凹区B、深凹区C网格的准确划分。

从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时具体可根据距离长度来选择是否需要与内部边界连通，当距离较长时可以仅延伸一定长度、不一定与内侧边界相接，从而形成不闭合的子面域，如图3中标号3～8所示；当距离较短时可以延伸与内侧边界相接，从而形成闭合的子面域。参见图3，本实施例中，l _b2和l _c2由于距离较短，因此延伸与内侧边界相接，从而形成闭合的子面域；l _b1和l _c1由于距离较短，因此延伸与内侧边界相接，从而形成闭合的子面域（图3中标号3、4、7、8所示）；l _c0由于当距离较长，因此仅延伸一定长度、不一定与内侧边界相接，从而形成不闭合的子面域（，如图3中标号5、6所示）。

本实施例中步骤5）将该子面域分别进行四面体网格布局时：

基础控制线l _b2上的网格数量N_b2≥2；

基础控制线l _b1上的网格数量N_b1≥2；

基础控制线l _c1上的网格数量N_c1≥2；

基础控制线l _c2上的网格数量N_c2≥2；

基础控制点B2、B1之间的自由型面上的网格数量N_B2-B1≥2；

基础控制点B1、C0之间的自由型面上的网格数量N_B1-C0≥3；

基础控制点C0、C1之间的自由型面上的网格数量N_C0-C1≥3；

基础控制点C1、C2之间的自由型面上的网格数量N_C1-C2≥2；

基础控制点B1、C0之间的自由型面上的网格尺寸L_B1-C0≥基础控制点B2、B1之间的自由型面上的网格尺寸L_B2-B1；基础控制点C0、C1之间的自由型面上的网格尺寸L_C0-C1≥基础控制点C1、C2之间的自由型面上的网格尺寸L_C1-C2；

最终，以基础控制线和浅凹区B、深凹区C的自由型面网格布局为基础对各个子区域进行全四面体网格布局，形成全截面网格布局如图4所示，其有限元分析云图如图5所示。

步骤6）根据全截面网格布局获取弹性元件的整体网格布局为现有网格布局方法，可以根据工况需要采用对称、拉伸、扫掠等运算方式完成。此外，考虑到定位节点为对称结构，针对得到的全截面网格布局，也可以单独实施轴对称模型分析计算。

毫无疑问，本实施例用于弹性元件的自由型面网格布局方法同样也可以适用于针对包括高速动车组用的定位节点、牵引节点、电机节点、自由型面褶皱以及发泡材料的超弹特性和自由型面网格变形接触的普通球铰类产品等在内的各类具有大载荷、高承载工况的各类弹性元件的网格布局及有限元分析，故在此不再赘述。

综上所述，本实施例用于弹性元件的自由型面网格布局方法能够有效解决高速动车组定位节点超大变形、高承载工况下，橡胶自由型面褶皱以及橡胶材料的超弹特性和橡胶自由型面网格变形接触导致的分析不收敛情况，特别适用于对橡胶自由面进行优化的多轮分析计算。本实施例用于弹性元件的自由型面网格布局方法针对高速动车组动力学要求及大冲击载荷，高疲劳寿命的载荷特点；需要细小结构特征参与需要进行多轮分析定位节点橡胶自由型面超大变形、褶皱、大量接触的工况；适用于橡胶自由面超大变形、褶皱、大量接触的分析；适用于带有细小结构特征参与计算并需要进行多轮分析定位节点橡胶自由型面分析；避免橡胶自由面超大变形、褶皱、大量接触引起的分析终止，使在分析过程中能够顺利完成有限元分析计算，且可使计算效率提升，精度提高。

此外，本实施例还提供一种用于弹性元件的自由型面网格布局系统，包括：

此外，本实施例还提供一种用于弹性元件的自由型面有限元分析方法，包括对弹性元件的自由型面进行网格布局的步骤，该对弹性元件的自由型面进行网格布局的步骤包括本实施例前述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种用于弹性元件的自由型面有限元分析系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行本实施例前述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的步骤或本实施例前述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行本实施例前述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的计算机程序或本实施例前述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行本实施例前述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的计算机程序或本实施例前述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于弹性元件的自由型面网格布局方法，其特征在于实施步骤包括：

1）获取弹性元件的截面及自由型面；

3）根据分段结果确定并获取多个基础控制点；

6）根据全截面网格布局获取弹性元件的整体网格布局。

2.根据权利要求1所述的用于弹性元件的自由型面网格布局方法，其特征在于，步骤2）中将自由型面以最低点为基准进行分段时得到的分区包括内侧细小结构区A、浅凹区B、深凹区C、外侧细小结构区D四个分区，所述浅凹区B、深凹区C均为一段连续曲线或几段曲率相近的曲线，其中所述内侧细小结构区A、浅凹区B位于最低点的内侧，所述深凹区C、外侧细小结构区D位于最低点的外侧，所述内侧细小结构区和外侧细小结构区位于靠近自由型面的边缘。

3.根据权利要求2所述的用于弹性元件的自由型面网格布局方法，其特征在于，步骤3）中根据分段结果确定并获取得到的多个基础控制点包括：浅凹区B与深凹区C的连接点C0、浅凹区B包括关键控制点B1在内的至少一个基础控制点、深凹区C包括关键控制点C1在内的至少一个基础控制点，所述关键控制点B1位于浅凹区B上靠内侧的25±15%的位置区域上，所述关键控制点C1位于深凹区C上靠外侧的25±15%的位置区域上。

4.根据权利要求3所述的用于弹性元件的自由型面网格布局方法，其特征在于，步骤4）中从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时，连接点C0向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线为沿弹性元件的截面长度方向，所述浅凹区B、深凹区C的基础控制点向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线为沿基础控制点所在曲线切线的法线方向。

5.根据权利要求3所述的用于弹性元件的自由型面网格布局方法，其特征在于，步骤3）中根据分段结果确定并获取得到的多个基础控制点还包括浅凹区B与内侧细小结构区A的连接点B2、深凹区C与外侧细小结构区D的连接点C2两者中的至少其一。

6.根据权利要求5所述的用于弹性元件的自由型面网格布局方法，其特征在于，步骤4）中从基础控制点向弹性元件本体方向延伸出基础控制线时，所述连接点B2、连接点C2向弹性元件本体方向延伸出的基础控制线为沿水平方向延伸。

7.一种用于弹性元件的自由型面网格布局系统，其特征在于包括：

截面及自由型面获取程序单元，用于获取弹性元件的截面及自由型面；；

8.一种用于弹性元件的自由型面有限元分析方法，包括对弹性元件的自由型面进行网格布局的步骤，其特征在于，所述对弹性元件的自由型面进行网格布局的步骤包括权利要求1～6中任意一项所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的步骤。

9.一种用于弹性元件的自由型面有限元分析系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的步骤或权利要求8所述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的步骤，或该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的计算机程序或权利要求8所述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的计算机程序。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述用于弹性元件的自由型面网格布局方法的计算机程序或权利要求8所述用于弹性元件的自由型面有限元分析方法的计算机程序。