CN112052541B - 一种任意形状的钣金型材截面参数化方法 - Google Patents

一种任意形状的钣金型材截面参数化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于结构动力学技术领域，公开了一种任意形状的钣金型材截面参数化方法。采用矢量追踪的方法和模块化思想，从原点出发对截面轮廓的相邻点依次求解，实现了对带R角的任意形状钣金型材截面的参数化定义，可用于模拟真实非规则截面凸缘的有限元建模以及几何参数的计算，具有很高的普适性。

Description

一种任意形状的钣金型材截面参数化方法
技术领域
本发明属于结构动力学技术领域，特别涉及一种任意形状的钣金型材截面参数化方法。
背景技术
作为直升机结构中最常用的构型形式，钣金型材常被用于框梁凸缘、平台长绗、加强立筋等结构，与蒙皮组成的壁板加筋结构也是传统航空器高结构效率应用最典型的构型。在强度分析时，型材的截面参数是个关键的设计输入，有限元分析时不可忽略，特别是动力学分析，截面形状的差异对模型的刚度和重量分布具有重要影响，因此，为了模拟真实结构，有限元建模时需要对型材的截面形状进行精确定义。
目前主流有限元商用软件中，截面的定义多采用参数化的方法，通过给定几个常用规则截面，用户可以输入长度、厚度等参数，用于计算截面的所有轮廓点坐标和属性参数。但该方法存在一定缺陷，比如无法考虑R角影响，另外，模块化的参数化方法局限于规则截面，对于航空结构上大量的非规则截面，尚无普适的参数化方法。
发明内容
本发明的目的：提供一种考虑R角的任意形状钣金型材截面参数化方法。
本发明的技术方案：
一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,包括以下步骤：
步骤一：确定和输入截面参数；
步骤二，计算R角圆心及角度；
步骤三，计算所有轮廓点坐标；
步骤四，计算截面属性参数。
进一步，所述步骤一中，需要确定和输入的截面参数包括：截面的边数N、钣金的厚度t、钣金的R角半径r、边的长度L1～LN、相邻边之间的角度θ1～θN(|θN|<180°)。
进一步，所述需要确定和输入的截面参数还包括旋转角度θt。
进一步，所述步骤二中R角圆心及角度计算过程如下：
步骤a)，选择截面的任意一个起始边的自由端点为原点，起始边为X横轴，建立局部坐标系，起始点坐标为(0,0)，
判断起始边与第一个相邻边之间的角度值θ1,如果θ1>0，则以起始边和第一个相邻边的交点为圆心，从起始边位置逆时针旋转θ1得到第一个相邻边的位置；反之，则顺时针旋转θ1得到第一个相邻边的位置；
第一个R角的圆心坐标为C1(L1，-r)(θ1>0)或C1(L1，t+r)(θ1<0)；
并构建第一个R角坐标点参数集[C1，r，θstart，θend]，θstart＝90°(θ1>0)或者θstart＝270°(θ1<0),θend＝θstart–(180°-θ1)(θ1>0)或者θend＝θstart+(180°+θ1)(θ1<0)，其中θstart和θend分别为R角轮廓弧线首尾端点与R角圆心连线相对于X横轴的偏转角度；
建立一个幅值为L2-2*t，方向为(180°+θ1)的方向矢量V1，用于求解下一个圆心坐标。
步骤b)，将第一个R角圆心坐标按矢量V1平移，得到第二个R角的初始圆心坐标；
判断第二个相邻角θ2，如果θ1*θ2>0时，则以第二个R角的初始圆心坐标作为最终的第二个R角圆心坐标。
如果θ1*θ2<0时，则构建一个幅值为t+2r的转置矢量V12，若θ2<0,则方向为V1+90°，反之，方向为V1-90°。将初始圆心按V12平移，得到第二个R角圆心坐标C2；
构建第二个圆角轮廓点坐标参数集[C2，r，θstart，θend],θstart＝180°+θ1+90°(θ2>0)或者θstart＝180°+θ1-90°(θ2<0),θend＝θstart–(180°-θ2)(θ2>0)或者θend＝θstart+(180°+θ2)(θ2<0)；
构建一个幅值为L3-2*t，方向为[(180°+θ1)-180°+θ2]的方向矢量V2，用于求解下一个圆心坐标；
步骤c)，重复步骤b)依次计算剩余所有圆心坐标并构建对应的圆角轮廓点坐标参数集[CN，r，θstart，θend]。
进一步，在每段圆角轮廓弧线上等分选取5个弧线坐标点，根据每个圆角的轮廓点坐标集的输入参数集，计算每个弧线坐标点的坐标p1～p5，得到弧线坐标点集。
进一步，对于同一个R角圆心，存在内外两个轮廓弧线；
对于外轮廓弧线，CNout参数集为[CN，t+r，θstart，θend]；对于内轮廓弧线，CNin参数集为[CN，r，θend，θstart]；
建立轮廓点顺序，从原点出发，对截面的所有轮廓点进行排序，按[S1,C1in/C1out,C2in/C2out,……，CNin/CNout，E1，E2，CNout/CNin，……，C2out/C2in，C1out/C1in，S2，S1]的顺序进行排列，其中，S1、S2、E1、E2为截面的四个端点，
组成一个个数为(10*N+5)的坐标集，形成最终的(10*N+5)×2的轮廓点坐标总矩阵。
进一步，若截面参数包括旋转角度θt，则轮廓点坐标总矩阵进行转置，转置矩阵为：[cosθt sinθt；-sinθt cosθt]。
进一步，根据轮廓点坐标总矩阵，采用数学积分的方法，计算截面属性，所述截面属性包括：截面的面积、形心、惯性矩。
本发明的有益技术效果：本发明通过采用矢量追踪的方法和模块化思想，从原点出发对截面轮廓的相邻点依次求解，实现了对带R角的任意形状钣金型材截面的参数化定义，可用于模拟真实非规则截面凸缘的有限元建模以及几何参数的计算，具有很高的普适性。
附图说明
图1是参数化方法流程图；
图2是圆角坐标计算流程图；
图3是截面轮廓点坐标计算示意图。
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，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,包括以下步骤：
步骤一：确定和输入截面参数。
对于任意形状的钣金型材截面，需要确定和输入该截面的以下参数，1)截面的边数N；2)钣金的厚度t；3)钣金的R角半径r；4)边的长度L1～LN；5)相邻边之间的角度θ1～θN(|θN|<180°)；6)旋转角度θt(必要时)。
步骤二：计算R角圆心及角度。
如图2所示，选择截面的任意一个起始边下端点为原点，起始边为X横轴，建立局部坐标系，起始点坐标为(0,0)，然后计算第一个R角的圆心坐标，首先判断输入参数第一个相邻边之间的角度值θ1,如果θ1>0，则表示第二条边是以起始边的另一个端点为圆心，从第一条边位置逆时针旋转θ1后的位置，反之，则绕顺时针旋转θ1。然后根据θ1的值，可以计算第一个R角的圆心坐标C1(L1，-r)(θ1>0)或C1(L1，t+r)(θ1<0)，同时构建第一个圆角轮廓点坐标参数集[C1，r，θstart，θend]，θstart＝90°(θ1>0)或者θstart＝270°(θ1<0),θend＝θstart–(180°-θ1)(θ1>0)或者θend＝θstart+(180°+θ1)(θ1<0)，其中θstart和θend分别为R角轮廓弧线首尾端点与R角圆心连线相对于X横轴的偏转角度。最后，建立一个幅值为L2-2*t，方向为(180°+θ1)的方向矢量V1，用于求解下一个圆心坐标。
同理，将第1个R角圆心坐标沿矢量V1方向平移L2-2*t长度，得到第二个R角的初始圆心坐标，然后判断第二个相邻角θ2，如果
θ1*θ2>0时，表示圆心位于边的同侧，则第二个R角圆心即为初始圆心。当θ1*θ2<0时，则表示圆心位于边的不同侧，需再构建一个幅值为t+2r的转置矢量V12，若θ2<0,则方向为V1+90°，反之，方向为V1-90°。将初始圆心沿V12平移，即可得到第二个R角圆心C2，同时构建第二个圆角轮廓点坐标参数集[C2，r，θstart，θend],θstart＝180°+θ1+90°(θ2>0)或者θstart＝180°+θ1-90°(θ2<0),θend＝θstart–(180°-θ2)(θ2>0)或者θend＝θstart+(180°+θ2)(θ2<0)，最后同样构建一个幅值为L3-2*t，方向为[(180°+θ1)-180°+θ2]的方向矢量V2，用于求解下一个圆心坐标。
同理依次计算剩余所有圆心坐标并构建对应的圆角轮廓点坐标参数集[CN，r，θstart，θend]。
步骤三：计算所有轮廓点坐标。
如图3所示，首先求解轮廓弧的离散点坐标，将每个圆角轮廓弧线进行等分离散，默认为5个点，根据每个圆角的轮廓点坐标集的输入参数，计算每个点的坐标p1～p5，得到弧线坐标点集。对于外轮廓弧线，参数集为[CN，t+r，θstart，θend]，对于内轮廓弧线，CNin参数集为[CN，r，θend，θstart]。
然后，建立轮廓点顺序，从原点出发，对截面的所有轮廓点进行排序，按[S1,C1in/C1out,C2in/C2out,……，CNin/CNout，E1，E2，CNout/CNin，……，C2out/C2in，C1out/C1in，S2，S1]的顺序进行排列，其中，S1、S2、E1、E2为截面的四个端点，C N为CN对应的内外轮廓线坐标点集，组成一个个数为(10*N+5)的坐标集，形成最终的(10*N+5)×2的轮廓点坐标总矩阵。必要时，通过参数旋转角度θt，对上述的轮廓点坐标总矩阵进行转置，转置矩阵为：[cosθt sinθt；-sinθtcosθt]。
步骤四：计算截面属性参数。根据上一步的所有轮廓点坐标结果，采用数学积分的方法，可以计算出截面的面积、形心、惯性矩等截面属性，或者直接应用商用软件的内置计算模块，本算例中采用了MSC.Patran中软件的内置函数进行求解和轮廓显示。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：确定和输入截面参数；包括：截面的边数N、钣金的厚度t、钣金的R角半径r、边的长度L1～LN、相邻边之间的角度θ1～θN，|θN|<180°；
步骤二，计算R角圆心及角度；计算过程如下：
步骤a)，选择截面的任意一个起始边的自由端点为原点，起始边为X横轴，建立局部坐标系，起始点坐标为(0,0)，
判断起始边与第一个相邻边之间的角度值θ1,如果θ1>0，则以起始边和第一个相邻边的交点为圆心，从起始边位置逆时针旋转θ1得到第一个相邻边的位置；反之，则顺时针旋转θ1得到第一个相邻边的位置；
第一个R角的圆心坐标为C1(L1，-r)(θ1>0)或C1(L1，t+r)(θ1<0)；
并构建第一个圆角轮廓点坐标参数集[C1，r，θstart，θend]，θstart＝90°(θ1>0)或者θstart＝270°(θ1<0),θend＝θstart–(180°-θ1)(θ1>0)或者θend＝θstart+(180°+θ1)(θ1<0)，其中θstart和θend分别为R角轮廓弧线首尾端点与R角圆心连线相对于X横轴的偏转角度；
建立一个幅值为L2-2*t，方向为(180°+θ1)的方向矢量V1，用于求解下一个圆心坐标；
步骤b)，将第一个R角圆心坐标按矢量V1平移，得到第二个R角的初始圆心坐标；
判断第二个相邻角θ2，如果θ1*θ2>0时，则以第二个R角的初始圆心坐标作为最终的第二个R角圆心坐标；
如果θ1*θ2<0时，则构建一个幅值为t+2r的转置矢量V12，若θ2<0,则转置矢量V12方向为V1+90°，反之，方向为V1-90°；将初始圆心坐标按V12平移，得到第二个R角圆心坐标C2；
构建第二个圆角轮廓点坐标参数集[C2，r，θstart，θend],θstart＝180°+θ1+90°(θ2>0)或者θstart＝180°+θ1-90°(θ2<0),θend＝θstart–(180°-θ2)(θ2>0)或者θend＝θstart+(180°+θ2)(θ2<0)；
构建一个幅值为L3-2*t，方向为[(180°+θ1)-180°+θ2]的方向矢量V2，用于求解下一个圆心坐标；
步骤c)，重复步骤b)依次计算剩余所有圆心坐标并构建对应的圆角轮廓点坐标参数集[CN，r，θstart，θend]；
步骤三，计算所有轮廓点坐标；
步骤四，计算截面属性参数。
2.根据权利要求1所述的一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,其特征在于：所述需要确定和输入的截面参数还包括旋转角度θt。
3.根据权利要求2所述的一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,其特征在于：所述步骤三中，包括：
在每段圆角轮廓弧线上等分选取5个弧线坐标点，根据每个圆角的轮廓点坐标参数集，计算每个弧线坐标点的坐标p1～p5，得到弧线坐标点集。
4.根据权利要求3所述的一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,其特征在于：所述步骤三中，还包括
同一个R角圆心，对应内外两个轮廓弧线；
对于外轮廓弧线，CNout参数集为[CN，t+r，θstart，θend]；对于内轮廓弧线，CNin参数集为[CN，r，θend，θstart]；
从原点出发建立轮廓点顺序，对截面的所有轮廓点按[S1,C1in/C1out,C2in/C2out,……，CNin/CNout，E1，E2，CNout/CNin，……，C2out/C2in，C1out/C1in，S2，S1]的顺序进行排列，其中，S1、S2、E1、E2为截面的四个端点，
组成一个个数为(10*N+5)的坐标集，形成最终的(10*N+5)×2的轮廓点坐标总矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,其特征在于：
若截面参数包括旋转角度θt，则轮廓点坐标总矩阵进行转置，转置矩阵为：[cosθt sinθt；-sinθt cosθt]。
6.根据权利要求5所述的一种任意形状的钣金型材截面参数化方法,其特征在于：根据轮廓点坐标总矩阵，采用数学积分的方法，计算截面属性，所述截面属性包括：截面的面积、形心、惯性矩。
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