CN112560319A - 一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，包括步骤：1)根据需要构建的凹坑形状，选择相匹配的用以进行冲压操作的形状单元；2)对有限元模型上的凹坑区域单元进行自适应网格细分操作；3)根据凹坑所要构建的位置选择凹坑冲压点和凹坑法向方向；4)利用选择的凹坑冲模进行网格节点冲压操作；5)完成冲压，删除形状单元，完成凹坑缺陷有限元模型构建。与现有技术相比，本发明具有解决了疲劳损伤分析过程中的有限元模型凹坑缺陷构建难点，可实现任意形状凹坑特征构建等优点。

Description

一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法

技术领域

本发明涉及有限元建模技术领域，尤其是涉及一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法。

背景技术

零部存在裂纹是造成零件疲劳断裂破坏的主要原因。裂纹的产生除了材料固有缺陷之外，很大一部分原因是受外部因素作用，这些因素包括使用环境、工作载荷以及外物碰撞。而在航空发动机领域，由于航空发动机属于高速运转机械，任何外物的撞击都会对风扇叶片造成严重损伤，所以航空发动机叶片经常会出现表面凹坑缺陷。凹坑的存在会造成应力集中，如果不进行及时处理会造成裂纹萌生，存在极大的安全隐患。从商业角度和运营角度来讲，叶片有损伤不可能马上更换，更好的处理办法是存在一套损伤程度和可靠性评估方法，通过合理评估决定产处理办法。而作为零部件损伤程度和可靠性评估体系的重要环节，有限元分析仿真是评估的重要环节。而如何让构建凹坑缺陷模型是有限元仿真分析的关键。

构建凹坑有限元模型的关键点在于凹坑参数控制，主要参数包括凹坑形状、凹坑深度和凹坑形状参数。目前业界主要关注点在于带凹坑的模拟分析，而对于如何构建带凹坑缺陷的有限元模型则研究较少，继而构建任意形状凹坑目前没有统一有效的方法。

理论上凹坑形状可以是椭圆、矩形等规则形状，也可以是不规则形状，如何用统一的方法构建不同凹坑形状也是亟需解决的问题。业界的通常处理办法是在模型几何阶段时将凹坑特征创建为模型，用三维模型软件的工具快速创建凹坑几何特征，然后对带凹坑的几何模型进行单元划分。这种做法虽然可以满足基本的分析需求，但是存在一些问题。首先是带几何凹坑的模型对有限元网格划分会造成影响，通常带凹坑的模型生成的单元质量要相对较差，影响分析精度；其次是该方法无法生成复杂的任意形状凹坑，且无法利用参数化得分方法构建凹坑，效率不高。其中，现有技术大多通过在几何模型上采用删减材料的方式创建一个凹坑特征，然后导入到有限元前处理软件进行有限元单元划分，该方法的缺点在于：1、几何模型增加凹坑特征后会增加有限元模型单元划分的难度，无法生成高质量单元；2、每次调整凹坑模型都需要从改造几何模型开始，然后再进行单元划分、载荷和约束创建，重复进行造成工作量巨大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，该方法能够快速方便地完成凹坑特征构建，解决了疲劳损伤分析过程中的有限元模型凹坑缺陷构建难点，且能够实现任意形状凹坑特征构建。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据需要构建的凹坑形状，选择相匹配的用以进行冲压操作的形状单元；所述形状单元包括形状与所要构建的凹坑形状相匹配的凹坑冲压几何模型或有限元网格。

S2：对有限元模型上的凹坑区域单元进行自适应网格细分操作。

S3：根据凹坑所要构建的位置选择凹坑冲压点和凹坑法向方向。

S4：利用选择的凹坑冲模进行网格节点冲压操作；所述网格节点冲压操作采用有限元前处理平台进行处理。

进一步地，所述有限元前处理平台采用Hypermesh前处理平台。

S5：完成冲压，删除形状单元，完成凹坑缺陷有限元模型构建。

进一步地，步骤S2具体包括下列步骤：

21)在有限元模型上提取需要生成凹坑的区域网格作为凹坑区域单元；

22)判断凹坑区域单元的网格类型，根据不同的网格类型选取不同的网格细化算法，对凹坑区域单元进行细分操作。细分操作为按照单元尺寸关系进行多次细分，直至满足单元尺寸要求。

具体地，按照单元尺寸关系进行多次细分的具体内容为：

指定一个单元尺寸，判断单元尺寸与凹坑区域单元尺寸的关系，若单元尺寸符合凹坑尺寸的限定尺寸要求，则凹坑区域单元细化结束；否则对凹坑区域单元再次进行细化操作，反复迭代细化，直至满足单元尺寸为凹坑尺寸的限定尺寸要求。

更进一步地，按照单元尺寸关系进行多次细分的具体内容为：

指定一个单元尺寸，判断单元尺寸是否为凹坑尺寸的1/10，若是，则凹坑区域单元细化结束；否则对凹坑区域单元再次进行细化操作，反复迭代细化，直至满足单元尺寸为凹坑尺寸的要求。

若单元尺寸不符合凹坑尺寸的1/10，则首先判断凹坑区域单元类型是否为四面体单元，若是，则利用四面体单元细分算法；若不是四面体单元，判断单元类型是否为六面体单元，若是，则利用六面体单元细分算法，否则，对凹坑区域单元再次进行细化，并判断单元尺寸和细化后的凹坑尺寸的关系，如果满足单元尺寸是细化后的凹坑尺寸的1/10，则细化结束，否则，再次进行凹坑区域单元的类型判断及单元细化，循环上述步骤，直至满足单元尺寸为凹坑尺寸的1/10的要求。

凹坑区域单元尺寸采用单元平均半径计算，其计算方法为：

a)获取凹坑区域单元的单元体积V；

b)利用单元体积V，根据球体积公式计算半径R，将其作为单元平均半径，进而获取网格单元尺寸。

本发明提供的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

一、本发明提出了一种通用的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，本发明的凹坑缺陷有限元模型构建是在现有有限元模型下进行的，无需修改几何模型，且对有限元模型的约束和载荷以及单元都不影响，调整凹坑大小或者尺寸无需重新进行单元划分等操作，效率高，工作量小，可快速方便地完成凹坑特征构建，解决了疲劳损伤分析过程中的有限元模型凹坑缺陷构建难点；

二、本发明凹坑缺陷有限元模型的构建对几何模型没有任何影响，不会增加几何模型的单元划分难度；

三、本发明只需采用不同的形状单元即可实现任意形状凹坑特征构建，解决了无法生成复杂的任意形状凹坑，且无法利用参数化得分方法构建凹坑导致效率不高的技术问题；

四、本发明方法可在现有有限元前处理软件进行二次开发实现，也可以单独开发实现功能，实现方法非常灵活。

附图说明

图1为实施例中疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法的流程示意图；

图2为实施例中凹坑构建特征构建过程示意图；

图3为实施例中凹坑区域单元的多级细化过程示意图；

图4为实施例中凹坑区域单元的细化过程流程图；

图5为实施例中形状单元的运动过程示意图；

图6为实施例中凹坑缺陷有限元模型构建过程示意图；

图中标号所示：

S201、冲头，S202、有限元模型表面，S203、凹坑，S501、形状单元运动方向，S502、目标单元，S503、凹坑中心点位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，图1为本发明实施例提供的一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法流程图，该图阐述了本发明的目的技术方案，主要包括：本发明方法采用类似钣金冲压的思想构建凹坑，即在现有有限元模型上用一定形状模型“冲压”有限元模型表面，制造凹坑，其实施步骤包括：

步骤S101：根据需要构建的凹坑形状，选择合适的凹坑冲模，即合适的“冲头”(形状单元)。

步骤S102：对凹坑区域进行自适应网格细分操作，保证凹坑网格质量。

步骤S103：根据凹坑所在位置选择凹坑冲压点和凹坑法向。

步骤S104：进行网格节点冲压操作。

步骤S105：完成冲压，删除“冲头”模型，完成凹坑构建。

本发明疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法仿照钣金冲压原理提出，其基本思路为利用不同形状的冲头S201去冲压有限元模型，然后“冲头”在有限元模型表面S202上形成一定形状，这个形状就是凹坑特征，其过程如图2所示。这里的“冲头”指的是一定形状的几何模型或者有限元网格，通过“冲头”和有限元模型进行冲压操作，可以形成凹坑S203。这里的“冲压操作”指的是一种网格变形操作，通过该运操作可以在有限元模型表面根据指“冲头”形状形成相应形状的网格变形，在本发明中将“冲头”作为形状单元，将需要构建凹坑的有限元模型作为目标单元。

可以根据需要的凹坑类型选择不同的形状单元。如果需要构建椭圆凹坑，那么形状单元为一个椭圆网格或者椭圆几何体，其参数包括椭圆长轴参数a和短轴参数c；如果是任意形状的凹坑，那么形状单元是一组网格数据或者几何形状模型。通过形状单元的不同形状，可以实现不同凹坑的构建。

进一步地，作为优选方案，本发明在创建凹坑前保存节点位置状态，创建凹坑后如果需要调整凹坑位置或者大小，可以恢复模型状态。

图3为本发明实施例提供的凹坑区域单元细化过程示意图。提取需要生成凹坑的区域网格作为凹坑区域单元。提取凹坑区域单元的实现方式如下：

1、创建凹坑时会指定凹坑尺寸大小和凹坑中心点位置；

2、根据凹坑尺寸大小和凹坑中心点位置确定凹坑影响范围，本发明中影响范围大小为凹坑尺寸的3～5倍；

3、遍历有限元模型单元，将位于凹坑影响区域内的单元定义为凹坑区域单元。

提取后，首先判断网格类型，然后根据不同的网格类型选择不同的网格细化算法，可以按照单元尺寸关系进行多次细分直到满足单元尺寸要求，有限元模型上的原始区域为S301所示，通过一次细化后形成细化单元S302，如不满足单元尺寸要求可以再次细化S303，进而生成最终的凹坑区域单元。

图4为本发明实施例提供的凹坑区域单元细化过程流程图。典型的网格类型有四面体网格和六面体网格，不同的网格类型有不同的细化算法，具体算法步骤包括：指定一个单元尺寸，对凹坑尺寸进行判断，即判断单元尺寸和凹坑尺寸的关系，如果满足单元尺寸是凹坑尺寸的1/10，那么细化结束；否则对凹坑区域单元再次进行细化操作，需要反复迭代细化，操作流程图见图4：

对于不满足初始尺寸要求范围的情况，首先判断该凹坑区域单元类型是否为四面体单元，如是，则利用四面体单元细分算法，该算法为现有技术，在此不过多赘述；若不是四面体单元，判断单元类型是否为六面体单元，若是，则利用六面体单元细分算法，否则，对凹坑区域单元进行细化，然后再判断单元尺寸和细化后的凹坑尺寸的关系，如果满足单元尺寸是细化后的凹坑尺寸的1/10，则细化结束，否则，再次进行单元类型判断，循环上述步骤，直至满足单元尺寸为凹坑区域单元尺寸的1/10的要求。1/10尺寸是本发明通过试验得到的，如果凹坑区域内的单元尺寸大小比椭圆单元(形状单元)大小的1/10要小，那么创建的凹坑质量比较好，且单元越细越好。在本实施例中，六面体单元细分采用中国发明专利CN103729506A公开的一种复杂模型完全六面体建模及几何体重塑加密方法中对建立的几何模型按照六面体单元进行划分的过程进行。网格质量根据单元尺寸和凹坑尺寸的比例值来判断。如果满足单元尺寸是凹坑尺寸的1/10，那么生成的凹坑区域单元过渡平顺，否则构建的凹坑区域单元过渡局部会凸起，这时候采取的处理方法是进行网格局部细化操作。计算网格单元尺寸时，用单元平均半径来表示，其计算方法为：

(1)求得凹坑区域单元的单元体积V；

(2)根据球体积公式计算半径R，将其作为单元平均半径R，进而获取网格单元尺寸。

图5为本发明实施例提供的形状单元运动过程示意图。其基本原理为：选择一个基本点，该点是凹坑中心点位置S503；选择一个凹坑方向S504，该方向是凹坑的法向方向，也是形状单元运动方向S501；形状单元根据运动方向进行运动，和目标单元S502进行凹坑成型操作并且形成凹坑。这种凹坑成型操作的基本过程为：网格表面形状根据提供的网格形状或者模型形状进行变形操作，使网格表面形状和指定的模型表面形状一致。根据不同的有限元前处理平台有不同的实现方式。以Hypermesh前处理平台为例，那么Hypermesh软件里面提供的Morph命令可以满足“冲压操作”功能；其它有限元前处理平台的实现方式可以参考其说明文档，任何可以实现网格变形操作的方法都可以被归结为网格“冲压操作”。

在完成凹坑创建之后，将形状单元删除，只保留带有凹坑特征的目标单元，完成凹坑特征构建操作。为了更加形象地说明凹坑生成操作，图6为本发明实施例提供的凹坑构建过程示意图，图6是对图1的进一步描述。其基本步骤描述为：

步骤一、选择凹坑形状单元，确定凹坑位置和方向S601。

步骤二、形状单元沿着凹坑方向运动并和目标单元进行凹坑创建操作S602，其细节放大状态见S604；

步骤三、完成凹坑构建并删除形状单元S603，凹坑细节见S605。

本发明方法可快速方便地完成凹坑特征构建，解决了疲劳损伤分析过程中的有限元模型凹坑缺陷构建难点；只需采用不同的形状单元即可实现任意形状凹坑特征构建，解决了无法生成复杂的任意形状凹坑，且无法利用参数化得分方法构建凹坑导致效率不高的技术问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)根据需要构建的凹坑形状，选择相匹配的用以进行冲压操作的形状单元；

2)对有限元模型上的凹坑区域单元进行自适应网格细分操作；

3)根据凹坑所要构建的位置选择凹坑冲压点和凹坑法向方向；

4)利用选择的凹坑冲模进行网格节点冲压操作；

5)完成冲压，删除形状单元，完成凹坑缺陷有限元模型构建。

2.根据权利要求1所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，所述形状单元包括形状与所要构建的凹坑形状相匹配的凹坑冲压几何模型或有限元网格。

3.根据权利要求1所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，步骤2)包括下列步骤：

21)在有限元模型上提取需要生成凹坑的区域网格作为凹坑区域单元；

22)判断凹坑区域单元的网格类型，根据不同的网格类型选取不同的网格细化算法，对凹坑区域单元进行细分操作。

4.根据权利要求3所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，步骤22)中，按照单元尺寸关系进行多次细分，直至满足单元尺寸要求。

5.根据权利要求4所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，按照单元尺寸关系进行多次细分的具体内容为：

指定一个单元尺寸，判断单元尺寸与凹坑区域单元尺寸的关系，若单元尺寸符合凹坑尺寸的限定尺寸要求，则凹坑区域单元细化结束；否则对凹坑区域单元再次进行细化操作，反复迭代细化，直至满足单元尺寸为凹坑尺寸的限定尺寸要求。

6.根据权利要求5所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，按照单元尺寸关系进行多次细分的具体内容为：

指定一个单元尺寸，判断单元尺寸是否为凹坑尺寸的1/10，若是，则凹坑区域单元细化结束；否则对凹坑区域单元再次进行细化操作，反复迭代细化，直至满足单元尺寸为凹坑尺寸的要求。

7.根据权利要求6所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，若单元尺寸不符合凹坑尺寸的1/10，则首先判断凹坑区域单元类型是否为四面体单元，若是，则利用四面体单元细分算法；若不是四面体单元，判断单元类型是否为六面体单元，若是，则利用六面体单元细分算法，否则，对凹坑区域单元再次进行细化，并判断单元尺寸和细化后的凹坑尺寸的关系，如果满足单元尺寸是细化后的凹坑尺寸的1/10，则细化结束，否则，再次进行凹坑区域单元的类型判断及单元细化，循环上述步骤，直至满足单元尺寸为凹坑尺寸的1/10的要求。

8.根据权利要求4所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，凹坑区域单元尺寸采用单元平均半径计算，其计算方法为：

a)获取凹坑区域单元的单元体积V；

b)利用单元体积V，根据球体积公式计算半径R，将其作为单元平均半径，进而获取网格单元尺寸。

9.根据权利要求1所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，所述网格节点冲压操作采用有限元前处理平台进行处理。

10.根据权利要求9所述的疲劳断裂凹坑缺陷有限元模型构建方法，其特征在于，所述有限元前处理平台采用Hypermesh前处理平台。

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