CN111291510B - 有限元工况加载方法及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有限元工况加载方法及分析方法，该有限元工况加载方法用于对预定结构加载载荷和约束，有限元工况加载方法包括：根据需要施加在预定结构上的预定总载荷的方向，确定将预定总载荷所分解的多个单位载荷的方向；在预定结构上选择所需施加各个单位载荷的第一预定区域；根据需要施加在预定结构上的预定总载荷的载荷值，确定各个单位载荷的载荷值，以使各个单位载荷组合后满足预定结构所受到的总载荷；将各个单位载荷的方向和载荷值施加在预定结构的第一预定区域；在预定结构上选择所需施加约束的第二预定区域；对预定结构上的第二预定区域施加自由度。本发明的有限元工况加载方法解决了现有技术中的结构仿真分析效率低的问题。

Description

有限元工况加载方法及分析方法

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体而言，涉及一种有限元工况加载方法及分析方法。

背景技术

随着虚拟仿真技术的发展，仿真的工程应用日趋增多，在车辆产品的开发设计过程中有限元分析技术已经不可或缺。在长期的工程应用中，企业也积累沉淀了大量的经验，而产品开发工作对仿真分析工作效率及分析的质量也提出了更高要求。如何在仿真工作中提高效率、保证质量、有效地利用企业成熟的知识、方便地完成技术传承，保证整个仿真团队的工作水平，都是企业一直追求的目标。

有限元分析过程一般由三部分组成：前处理、求解、后处理。目前，前处理所占的人工比重最大，操作也最复杂。前处理中“工况加载”是描述产品受载边界条件的部分，被认为与产品的关联性最大，也是直接决定有限元分析结果正确与否的关键环节。

目前，对铁路车辆装备的仿真分析软件有以下缺点：

1.仿真工作效率低：人机交互工作量较大，效率低；

2.工作质量不易保证：对人员素质和能力的要求较高，工作中需要工程师对产品结构、各类标准的把控比较充分。

3.相似产品的仿真操作没有继承性；

4.相同产品不同方案间的仿真操作没有继承性；

5.体现不出企业知识在仿真工作中的应用，没有知识传承。

6.无法积累企业合理仿真经验。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种有限元工况加载方法及分析方法，以解决现有技术中的结构仿真分析效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种有限元工况加载方法，用于对预定结构加载载荷和约束，有限元工况加载方法包括：根据需要施加在预定结构上的预定总载荷的方向，确定将预定总载荷所分解的多个单位载荷的方向；在预定结构上选择所需施加各个单位载荷的第一预定区域；根据需要施加在预定结构上的预定总载荷的载荷值，确定各个单位载荷的载荷值，以使各个单位载荷组合后满足预定结构所受到的总载荷；将各个单位载荷的方向和载荷值施加在预定结构的第一预定区域；在预定结构上选择所需施加约束的第二预定区域；对预定结构上的第二预定区域施加自由度。

进一步地，多个单位载荷包括沿直角坐标系中的X轴方向的单位载荷、沿直角坐标系中的Y轴方向的单位载荷和沿直角坐标系中的Z轴方向的单位载荷。

进一步地，多个单位载荷分别为在柱面坐标系中沿不同极轴方向的单位载荷。

进一步地，单位载荷包括扭转载荷。

根据本发明的另一方面，提供了一种分析方法，用于对预定结构进行有限元分析，分析方法包括：采用上述的有限元工况加载方法对不同的结构加载单位载荷和约束，并将各个结构的单位载荷的数量信息、施加单位载荷的第一预定区域信息和施加约束的第二预定区域信息保存以形成不同结构的配置文件；在多个配置文件中选取与预定结构相同结构的配置文件；将选取的配置文件输入到有限元分析软件中以对预定结构进行分析。

进一步地，分析方法还包括：对各个单位载荷进行求解，以得到各个单位载荷下的求解结果，求解结果包括结构的位移、应变和应力中的至少一种。

进一步地，分析方法还包括：将各个单位载荷下的求解结果组合，以得到预定结构在实际受到的总载荷下的位移、应变和应力中的至少一种。

进一步地，分析方法还包括：将预定结构在实际受到的总载荷下的位移、应变和/或应力与预定结构的标准考核工况进行比较，以判断是否符合预定结构的标准考核工况的要求。

应用本发明的技术方案的有限元工况加载方法结合有限元仿真软件以便对不同的结构进行仿真分析，该加载方法首先将在实际中对结构施加的总载荷分解成多个方向的单位载荷，然后选择在预定结构的模型上选择施加各个单位载荷的第一预定区域，然后根据总载荷确定各个单位载荷的载荷值并输入至软件中，在根据预定结构的实际连接关系确定预定结构的约束，选择预定结构上的第二预定区域并赋予该区域自由度，以完成对预定结构的工况加载，本申请中通过将总载荷分解成多个不同方向的单位载荷对预定结构进行分析，解决了现有技术中在对不同的结构工况下都需要进行反复加载的问题，提高了对不同的工况进行仿真分析的效率。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种有限元工况加载方法，用于对预定结构加载载荷和约束，有限元工况加载方法包括：根据需要施加在预定结构上的预定总载荷的方向，确定将预定总载荷所分解的多个单位载荷的方向；在预定结构上选择所需施加各个单位载荷的第一预定区域；根据需要施加在预定结构上的预定总载荷的载荷值，确定各个单位载荷的载荷值，以使各个单位载荷组合后满足预定结构所受到的总载荷；将各个单位载荷的方向和载荷值施加在预定结构的第一预定区域；在预定结构上选择所需施加约束的第二预定区域；对预定结构上的第二预定区域施加自由度。

本发明的有限元工况加载方法结合有限元仿真软件以便对不同的结构进行仿真分析，该加载方法首先将在实际中对结构施加的总载荷分解成多个方向的单位载荷，然后选择在预定结构的模型上选择施加各个单位载荷的第一预定区域，然后根据总载荷确定各个单位载荷的载荷值并输入至软件中，在根据预定结构的实际连接关系确定预定结构的约束，选择预定结构上的第二预定区域并赋予该区域自由度，以完成对预定结构的工况加载，本申请中通过将总载荷分解成多个不同方向的单位载荷对预定结构进行分析，解决了现有技术中在对不同的结构工况下都需要进行反复加载的问题，提高了对不同的工况进行仿真分析的效率。

优选地，本发明中对预定结构施加的总载荷可以为一个集中的力，或对预定结构上的一个区域施加的均布力，或递增以及递减的力，预定结构实际受到的各种载荷均可以通过将载荷分成各个方向的力来替代。

多个单位载荷包括沿直角坐标系中的X轴方向的单位载荷、沿直角坐标系中的Y轴方向的单位载荷和沿直角坐标系中的Z轴方向的单位载荷。

优选地，在对总载荷进行分解时，如果预定结构是板状或格构式结构，可以将该预定结构的载荷分解成沿笛卡尔坐标系中沿X、Y、Z方向的力。

多个单位载荷分别为在柱面坐标系中沿不同极轴方向的单位载荷。

优选地，当预定结构为柱状或球体，例如罐体或管路等结构时，可以将预定结构实际受到的总载荷分解成沿极轴坐标系中不同的极轴方向的力，比如，沿管路的轴向方向、径向方向和周向方向上的力。

单位载荷包括扭转载荷。

本实施例中如果预定结构还受到扭转力，在根据实际受到的扭转力进行加载。

优选地，单位载荷还可以为压强或加速度等等。

本发明还提供了一种分析方法，用于对预定结构进行有限元分析，分析方法包括：采用上述的有限元工况加载方法对不同的结构加载单位载荷和约束，并将各个结构的单位载荷的数量信息、施加单位载荷的第一预定区域信息和施加约束的第二预定区域信息保存以形成不同结构的配置文件；在多个配置文件中选取与预定结构相同结构的配置文件；将选取的配置文件输入到有限元分析软件中以对预定结构进行分析。

本发明还提供了一种对多个结构进行有限元仿真分析的分析方法，该方法基于上述的有限元工况加载方法，首先对多个预定结构均采用上述的加载方法进行加载，然后将各个预定结构加载的配置文件进行保存，该配置文件中包括了预定结构分解的单位载荷的数量和方向信息，以及各个结构加载约束的区域和各个区域内的自由度，然后在对一个预定结构进行分析时，首先在上述的配置文件中选取与本预定结构相同结构的配置文件，加载至有限元分析软件中，然后直接根据总载荷的值输入各个单位载荷的值则完成了该预定结构的工况加载。具有继承性。

分析方法还包括：对各个单位载荷进行求解，以得到各个单位载荷下的求解结果，求解结果包括结构的位移、应变和应力中的至少一种。分析方法还包括：将各个单位载荷下的求解结果组合，以得到预定结构在实际受到的总载荷下的位移、应变和应力中的至少一种。分析方法还包括：将预定结构在实际受到的总载荷下的位移、应变和/或应力与预定结构的标准考核工况进行比较，以判断是否符合预定结构的标准考核工况的要求。

本申请的分析方法在对预定结构加载完成后，对各个单位载荷分别进行求解，求解时采用现有的有限元软件中的算法对该预定结构模型进行网格划分和求解，从而得到了各个单位载荷下的该预定结构的结果，该结果包括预定结构的位移、应变和应力信心等，然后将各个单位载荷的求解结果组合得出该预定结构受到总载荷时的位移和应变结果信息，然后将该信息与现有的考核标准进行对比，以判断该预定结构是否符合各个国家的考核标准。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本实施例中的有限元工况加载方法可应用于针对铁路货运装备产品提供一种配置表单形式的工况加载方法。

所有产品在受到外部载荷，都可以简化描述成约束与加载的组合。比如：放在桌上的一个立方体，它已经受到了外部载荷：与桌子接触的面可视为约束，重力可视为载荷。铁路装备产品虽在种类、运行条件、适用标准上千差万别，但所受的每种工况都可以这样分解。并且约束与加载的种类、施加区域都是有限的，而这些区域均与其设计功能有关。

基于此原理，本申请基于一种“配置表单形式”的工况加载方法，结合企业已有仿真知识，针对铁路货运装备产品建立完成“配置表单”文件库，实现工况加载时的“快速”“准确”“可继承”。

在“配置表单”完成“标准单位工况”的载荷、约束配置。

“标准单位工况”是指按照铁路装备产品所受外部总载荷特点，将工况种类固定为垂向、纵向、横向、扭转等，每种工况都是一系列载荷、约束的组合，在这种工况中载荷合力通常是1N。

针对一种产品“配置表单”有三个维度：第一个维度是不同的工况种类，如垂向、纵向、横向、扭转；第二个维度是加载约束区域，如地板、侧墙、心盘；第三个维度是载荷与自由度数值，如Z向载荷-1N，自由度XYZ。

“配置表单”一旦建成，同类型的产品均可借用；同一个产品在仿真多方案时不需修改，一次配置，多次使用；配置后，虽然不同国家的标准对于铁路货运装备考核可能不同，但也仅仅是数值的区别。从而将复杂的问题进行知识的固化与简化处理，达到提高效率、保证质量、知识传承的目的。

实施例一：集装箱平车是一种运载集装箱的铁路货运装备，它通常由钢结构底架及若干组集装箱锁座构成。根据所运载集装箱长度的不同，装箱工况也不同。比如，一个40英尺长的集装箱车，可能在纵向长度上有十几组集装箱锁座：可以装运4个10英尺的集装箱；也可以装运2个20英尺的；或者装2个10英尺加1个20英尺的等等，并且装箱的方案会随用户的特定要求发生多种变化。在集装箱平车的设计时，对于每一种装箱工况都需要进行校核，并且每种装箱工况均要与其它不同边界条件的工况(如纵向、横向、扭转、抬车等)进行合成校核。以中国铁路标准TB/T1335为例，每种装箱方案对应至少5种考核工况，如果有7种装箱方案，就有5*7＝35种考核工况，每种工况里有3至4种载荷组合，每种工况的载荷参数与约束参数均不相同，统计下来将会有上百种载荷的组合。原来的传统做法是在仿真模型中，对35种工况都操作一次“选区域－加约束－加载荷”的过程，才能将工况全部手工做出，工作重复，容易出错。

采用配置表单式的工况加载后，对于这种产品，可设计了一套配置文件。该配置文件的从三个维度中(工况维度、加载约束区域维度、数值维度)描述了该产品的所有工况可能。另外根据对称性，还可增加模型(半车、整车)选项；装箱工况与锁座的对应关系也可以以二维数组形式表达。

实施例二：铁路特种罐箱的配置表单：铁路特种罐箱与实施例一的铁路货车相比，是结构、工况都差别较大的两类产品，以此做例说明配置表单式的工况加载方法的适用性。

铁路罐箱是一种运载液体类货物的铁路货运装备，它由框架、罐体、锁座构成。工况与货车产品不同，没有纵向、扭转类工况，但是有堆码、液体压力、刚度等特殊工况。国内针对铁路特种罐箱的静力学考核工况有14个，每个工况有3种以上的载荷组合。

采用本申请的配置表单式的有限元工况加载后，对于这种产品，设计了一套配置文件。该配置文件从三个维度中(工况维度、加载约束区域维度、数值维度)描述了该产品的所有工况。在加载约束区域方面，根据产品形状特点配合“自动生成加载区域”功能：针对罐箱八个锁座为空间六面体的几何特点，自动将与锁座相关的节点按空间位置关系自动分组；针对罐箱罐体为空间闭合曲面的几何特点，自动将罐体单元按空间位置关系自动分组。边界条件加载区域也能自动定义。采用这种配置表单式的工况加载方法，针对罐箱类产品，在工况环节的人机交互时间将被极大地缩短

这种配置表单方式的工况加载，只需要正确地指定加载用区域即可完成。配置表单文件有统一规定格式，在软件外部可以先编辑好，直接读入即可适用。最终可将每一种常用的产品“配置文件”都编辑好，做为配置文件库使用。这样，对于非专业的仿真人员，只要能够正确设置加载区域这一项内容，就可以得出与专业仿真人员一样的配置结果。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种有限元工况加载方法，用于对预定结构加载载荷和约束，其特征在于，所述有限元工况加载方法包括：

根据需要施加在所述预定结构上的预定总载荷的方向，确定将所述预定总载荷所分解的多个单位载荷的方向；

在所述预定结构上选择所需施加各个所述单位载荷的第一预定区域；

根据需要施加在所述预定结构上的预定总载荷的载荷值，确定各个所述单位载荷的载荷值，以使各个所述单位载荷组合后满足所述预定结构所受到的总载荷；

将各个所述单位载荷的方向和载荷值施加在所述预定结构的第一预定区域；

在所述预定结构上选择所需施加约束的第二预定区域；

对所述预定结构上的第二预定区域施加自由度。

2.根据权利要求1所述的有限元工况加载方法，其特征在于，多个所述单位载荷包括沿直角坐标系中的X轴方向的单位载荷、沿直角坐标系中的Y轴方向的单位载荷和沿直角坐标系中的Z轴方向的单位载荷。

3.根据权利要求1所述的有限元工况加载方法，其特征在于，多个所述单位载荷分别为在柱面坐标系中沿不同极轴方向的单位载荷。

4.根据权利要求1所述的有限元工况加载方法，其特征在于，所述单位载荷包括扭转载荷。

5.一种有限元分析方法，用于对预定结构进行有限元分析，其特征在于，所述分析方法包括：

采用权利要求1至4中任一项所述的有限元工况加载方法对不同的结构加载单位载荷和约束，并将各个所述结构的单位载荷的数量信息、施加单位载荷的第一预定区域信息和施加约束的第二预定区域信息保存以形成不同结构的配置文件；

在多个所述配置文件中选取与所述预定结构相同结构的配置文件；

将选取的所述配置文件输入到有限元分析软件中以对所述预定结构进行分析。

6.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于，所述分析方法还包括：

对各个所述单位载荷进行求解，以得到各个所述单位载荷下的求解结果，所述求解结果包括所述结构的位移、应变和应力中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于，所述分析方法还包括：

将各个所述单位载荷下的求解结果组合，以得到所述预定结构在实际受到的总载荷下的位移、应变和应力中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于，所述分析方法还包括：

将所述预定结构在实际受到的总载荷下的位移、应变和/或应力与所述预定结构的标准考核工况进行比较，以判断是否符合所述预定结构的标准考核工况的要求。