CN112149324A - 一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及复合材料制造及固化变形仿真技术领域，公开了一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，具体包括以下步骤：建立理论几何仿真模型并计算生成INP文件；通过对理论几何仿真模型进行后处理，导出零件全部节点、贴膜面节点和元素等信息，生成RPT文件；识别RPT文件中关键要素信息并与INP文件形成一一对应关系；计算补偿模型工装和零件的节点、元素信息；建立完整的补偿模型INP文件；重新导入至仿真软件中提交运算。本申请简化了工装补偿型面的创建流程，能够实现工装补偿型面对复材零件固化变形预期改善效果的快速验证，提高了工装补偿模型验证效率和精度，对于提高仿真技术的工程化应用具有重要意义。

Description

一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法
技术领域
本申请涉及复合材料制造及固化变形仿真技术领域，具体涉及一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法。
背景技术
为解决复合材料固化变形对构件最终成型质量的影响，传统的应对方法是采用试错法反复修改构件成型工装的型面，即构件产生固化变形后，修改构件成型的工装型面，再次试制构件，若变形超出要求，则继续修正，直至满足要求。而随着计算机硬件的发展及仿真技术的进步，进行精确的复合材料固化变形仿真，并根据仿真结果创建复合材料工装补偿型面，进而改善甚至消除复合材料固化变形影响的分析方法广受欢迎，例如公开号为CN106626449A、CN102567582A、CN104690981A、CN109501325A等多份专利文件中已经对类似工装补偿方法进行了详细的描述。
为了验证工装补偿型面对复合材料零件固化变形的改善效果，需要利用工装补偿型面进行固化变形仿真，分析其产生固化变形后的型面与复合材料零件理论型面之间的差值，并以此来评价工装补偿型面的补偿准确性：若差值在可接受范围内，则进行工装和零件的制造；若差值超出可接受范围，则需重新进行仿真分析。目前，主流手段是通过有限元分析软件ABAQUS获得固化变形后的型面，通过EXCEL、CATIA以及ABAQUS多个软件的交互和建模，重新构建补偿后的型面进行反复的迭代优化，以获得最佳的补偿型面。这种方法创建过程操作麻烦，创建精度差，并且型面创建完成后需要重新导入到仿真软件中进行验证，此时的型面与原本用于仿真的几何理论型面没有对应性，在仿真中的补偿效果难以直接评估，不能很好地适应目前项目快速研制的需求。因此，建立一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，实现工装补偿型面对复合材料零件固化变形预期改善效果的快速验证，对于提高仿真技术的工程化应用具有重要的实际意义。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题和缺陷，本申请提供了一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，根据复合材料固化变形工装补偿的理论基础以及仿真模型特点，快速建立复合材料零件固化变形工装补偿模型，实现工装补偿型面对复材零件固化变形预期改善效果的快速验证。
为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：
一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：复合材料零件理论模型仿真分析
在有限元软件中，按照仿真流程对理论几何模型建模并进行仿真运算，得到理论几何模型的INP文件；
步骤S2：理论模型仿真分析结果后处理
在有限元软件后处理中，将理论模型固化变形前后的相关数据信息导出形成数据文件；
步骤S3：处理数据文件
识别节点RPT文件、元素RPT文件和仿真模型INP文件中的节点、元素、实体数据，并形成一一对应的数据模型；
步骤S4：计算工装补偿模型各节点坐标值
根据固化变形工装补偿的相关理论，通过步骤S3中的数据模型，确定工装补偿模型各节点的补偿坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系；
步骤S5：创建工装补偿模型
将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件，重新生成补偿模型INP文件；
步骤S6：工装补偿模型仿真运算
在有限元软件中导入补偿模型INP文件，直接提交计算，在后处理中验证补偿结果，验证合格后，将补偿后的几何模型传递并进行数模解构，形成下料投影程序，投入生产使用。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S1中，保持零件网格模型和工装网格模型的拉伸厚度一致、拉伸层数一致以及拉伸方向相反。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S2中的数据文件是指将变形后的零件模型全部网格节点及零件贴膜面的数据信息导出，形成仿真结果RPT文件，文件内包含模型的节点坐标值，节点和元素相互关系以及变形量。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S3中的数据模型包括复合材料零件理论仿真模型各节点的理论坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系，还包括经过变形仿真分析后，各节点的变形坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S3中的INP文件包含有限元软件INP文件的所有要素。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S4中，固化变形工装补偿的相关理论通过仿真模型中的节点元素的坐标变换来实现。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S5中，将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件的前提在于，在上述所有步骤中，工装补偿模型与理论模型之间的对应关系未发生改变，唯一改变的只有补偿模型各节点的坐标值。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述有限元软件为Abaqus。
本申请的有益效果：
本申请能够快速建立复合材料构件的补偿仿真模型，并且补偿模型与理论模型网格数量、分布以及边界条件完全保持一致，因此能够有效地实现补偿效果对比，并最终提高工装补偿模型的验证效率和精度。
附图说明
本申请的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为本申请方法流程图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施例公开了一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，参照说明书附图1，主要包括以下步骤：
步骤S1：复合材料零件理论模型仿真分析
在有限元软件中，按照仿真流程对理论几何模型建模并进行仿真运算，得到理论几何模型的INP文件；
步骤S2：理论模型仿真分析结果后处理
在有限元软件后处理中，将理论几何模型固化变形前后的相关数据信息导出形成数据文件；
步骤S3：处理数据文件
识别节点RPT文件、元素RPT文件和仿真模型INP文件中的节点、元素、实体等数据，并形成一一对应的数据模型；
步骤S4：计算工装补偿模型各节点坐标值
根据固化变形工装补偿的相关理论，通过步骤S3中的数据模型，确定工装补偿模型各节点的补偿坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系；
步骤S5：创建工装补偿模型
将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件，重新生成补偿模型INP文件；
步骤S6：工装补偿模型仿真运算
在有限元软件中导入补偿模型INP文件，直接提交计算，在后处理中验证补偿结果，验证合格后，将补偿后的几何模型传递并进行数模解构，形成下料投影程序，投入生产使用。
本申请能够快速建立复合材料构件的补偿仿真模型，并且补偿模型与理论模型网格数量、分布以及边界条件完全保持一致，因此能够有效地实现补偿效果对比，并最终提高工装补偿模型的验证效率和精度。
实施例2
本实施例公开了一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，本实施例是在实施例1的基础上进行优化，在所述步骤S1中，需要保持零件网格模型和工装网格模型的拉伸厚度一致、拉伸层数一致以及拉伸方向相反。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S2中的数据文件是指将变形后的零件模型全部网格节点及零件贴膜面的数据信息（node和element）导出，形成仿真结果RPT文件（包括节点RPT文件和元素RPT文件），其中包含了模型的节点坐标值、节点和元素相互关系、变形量等信息，同时在Abaqus当前工作目录下会自动生成复合材料零件理论模型仿真分析的INP文件，其中包含了仿真模型的节点和元素、材料、边界约束条件等数据信息。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S3中的数据模型是指：基于步骤S2生成的节点RPT文件、元素RPT文件和仿真模型INP文件中，包含了复合材料零件理论仿真模型各节点的理论坐标值及节点与元素、所属实体的对应关系，也包含了经过变形仿真分析后，各节点的变形坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S3中的INP文件应包含Abaqus仿真软件INP文件的所有要素。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S4中固化变形工装补偿的相关理论是通过仿真模型中的节点元素的坐标变换来实现的。本文采用|D1=D2|的方式来计算工装补偿型面，其中：D1是指理论模型节点到变形模型节点的距离，D2是指理论模型节点到补偿模型节点的距离，D1与D2距离相等，但矢量方向相反。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S4中工装补偿模型中节点与元素的对应关系是指：在理论模型和变形模型中，节点与元素是具有对应关系的，即：节点具有坐标值，节点隶属于某几个网格元素，一系列节点构成网格元素，经过计算之后，工装补偿模型应与理论模型之间具有对应关系：节点编号一致、节点所属的元素、元素包含的节点一致，仅坐标值不同。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述步骤S5中将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件的前提在于，在上述所有步骤中，工装补偿模型与理论模型之间的对应关系未发生改变，唯一改变的只有补偿模型各节点的坐标值。在仿真模型INP文件中，将理论模型各节点的坐标值替换为对应工装补偿模型各节点的坐标值，为了更好的实现步骤S5，这种替换通常采用程序来进行计算。
进一步地，为了更好的实现本申请，所述有限元软件为Abaqus。
实施例3
本实施例公开了一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，参照说明书附图1，主要包括以下步骤：
步骤S1：复合材料零件理论模型仿真分析
在ABAQUS中，按照仿真流程对理论几何模型建模并进行仿真运算，得到理论几何模型的仿真模型INP文件。
本实施例中，采用仿真分析软件ABAQUS对复合材料零件进行有限元网格划分，通过mesh part和offset功能实现复合材料零件和成型工装的网格模型，并设置材料参数、工艺参数和边界约束条件，对复合材料零件实现仿真分析。经计算分析后，得到包括所有复合材料零件建模过程信息的仿真模型INP文件。
步骤S2：理论模型仿真分析结果后处理
在Abaqus后处理中，将理论几何模型固化变形前后的相关数据信息导出形成数据文件。
本实施例中，对复合材料零件进行仿真分析后，在Abaqus后处理中，通过Probevalues功能提取仿真分析后的节点（node）和元素（element），生成RPT文件，文件中包含了节点编号、变形前节点坐标值、变形后坐标值、元素编号等信息。
步骤S3：处理数据文件
识别节点RPT文件、元素RPT文件和仿真模型INP文件中的节点、元素、实体等数据，并形成一一对应的数据模型。
本实施例中，对节点RPT文件和元素RPT文件进行处理，形成“元素编号-节点编号-变形前坐标值-变形后坐标值”的对应关系，并覆盖包括工装模型和零件模型的全部节点。
步骤S4：计算工装补偿模型各节点坐标值
根据固化变形工装补偿的相关理论，通过步骤S3中的数据模型，确定工装补偿模型各节点的补偿坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系。
本实施例中，按照|D1=D2|的方式计算工装补偿型面的节点坐标值，形成“元素编号-节点编号-变形前坐标值-变形后坐标值-补偿坐标值”的对应关系，并覆盖包括工装模型和零件模型的全部节点。
步骤S5：创建工装补偿模型
将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件，重新生成补偿模型INP文件。
本实施例中，采用程序的方式实现本步骤，检索仿真模型INP文件每一行数据，识别关键词“节点编号”，将理论模型INP文件中的节点坐标值按照对应关系替换为补偿坐标值，完成全部节点替换后，重新生成新的补偿模型INP文件。
步骤S6：工装补偿模型仿真运算
在有限元软件中导入补偿模型INP文件，直接提交计算，在后处理中验证补偿结果，验证合格后，将补偿后的几何模型传递并进行数模解构，形成下料投影程序，投入生产使用。
本申请能够快速建立复合材料构件的补偿仿真模型，并且补偿模型与理论模型网格数量、分布以及边界条件完全保持一致，因此能够有效地实现补偿效果对比，并最终提高工装补偿模型的验证效率和精度。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：复合材料零件理论模型仿真分析
在有限元软件中，按照仿真流程对理论几何模型建模并进行仿真运算，得到理论几何模型的INP文件；
步骤S2：理论模型仿真分析结果后处理
在有限元软件后处理中，将理论模型固化变形前后的相关数据信息导出形成数据文件；
步骤S3：处理数据文件
识别节点RPT文件、元素RPT文件和仿真模型INP文件中的节点、元素、实体数据，并形成一一对应的数据模型；
步骤S4：计算工装补偿模型各节点坐标值
根据固化变形工装补偿的相关理论，通过步骤S3中的数据模型，确定工装补偿模型各节点的补偿坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系；
步骤S5：创建工装补偿模型
将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件，重新生成补偿模型INP文件；
步骤S6：工装补偿模型仿真运算
在有限元软件中导入补偿模型INP文件，直接提交计算，在后处理中验证补偿结果，验证合格后，将补偿后的几何模型传递并进行数模解构，形成下料投影程序，投入生产使用。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S1中，保持零件网格模型和工装网格模型的拉伸厚度一致、拉伸层数一致以及拉伸方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S2中的数据文件是指将变形后的零件模型全部网格节点及零件贴膜面的数据信息导出，形成仿真结果RPT文件，文件内包含模型的节点坐标值，节点和元素相互关系以及变形量。
4.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S3中的数据模型包括复合材料零件理论仿真模型各节点的理论坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系，还包括经过变形仿真分析后，各节点的变形坐标值以及节点与元素、所属实体的对应关系。
5.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S3中的INP文件包含有限元软件INP文件的所有要素。
6.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S4中，固化变形工装补偿的相关理论通过仿真模型中的节点元素的坐标变换来实现。
7.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述步骤S5中，将经过处理的工装补偿节点信息写入至仿真模型INP文件的前提在于，在上述所有步骤中，工装补偿模型与理论模型之间的对应关系未发生改变，唯一改变的只有补偿模型各节点的坐标值。
8.根据权利要求1所述的一种用于复合材料工装补偿型面仿真验证的快速建模方法，其特征在于：所述有限元软件为Abaqus。
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