CN112597680B - 一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法，属于有限元分析领域，用于解决卫浴洁具自动化建模水平低，设计分析效率低，产品开发周期长的问题。本发明通过将已有的卫浴洁具几何模型导入，并设置网格划分相关参数，自动生成卫浴洁具的有限元模型，提高了通过有限元软件进行网格划分的效率；并通过给定的计算条件相关参数，显示有限元分析结果，免去了在CFD软件中进行大量参数设置的复杂流程。本发明提供了自动化的有限元分析方法，简化了卫浴洁具冲水过程的有限元分析过程，提升了分析效率，缩短了开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及有限元分析领域，具体涉及一种卫浴洁具的自动化有限元分析方法。
背景技术
随着计算机技术的发展，卫浴洁具的设计过程中，有限元仿真分析技术已经被广泛应用。采用有限元分析的方法所需的设备少；试验时间短；需要的人力少节省大量试验费用；并且试验结果的精确度高；结果的表示形式多样更直观明了。
建立有限元网格模型的过程称为有限元建模，它是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以及计算过程能否完成。
目前，使用现有技术进行卫浴洁具有限元分析的前处理过程，首先需要通过三维建模软件建立卫浴洁具的三维模型，然后将模型导入有限元分析软件并手动划分网格，涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选网格的密度等多种参数，对操作人员专业要求较高，同时建模过程中的诸多细节操作耗时较长且易出错。
发明内容
本发明用于解决卫浴洁具自动化建模水平低，设计分析效率低，产品开发周期长的问题，提供了一种应用于坐便的自动化有限元分析方法，简化了卫浴洁具冲水过程的有限元分析过程。
本发明通过将已有的坐便器几何模型导入，并设置网格划分相关参数，自动生成坐便器的有限元模型，提高了通过有限元软件进行网格划分的效率；并通过给定的计算条件相关参数，显示有限元分析结果，免去了在CFD软件中进行大量参数设置的复杂流程。
具体如下：
(1)卫浴洁具模型导入：在操作界面中选择卫浴洁具的类型，导入三维几何模型模块；
(2)有限元网格划分参数设置：根据卫浴洁具的类型和实际需求，对卫浴洁具的各个三维几何模型模块分别进行网格划分参数设置，其中包括：单元形状控制参数、单元尺寸控制参数；
(3)APDL命令流文件自动生成：将步骤(2)中设置的参数、网格划分过程操作转换为APDL操作命令，并生成APDL命令流文件；
(4)有限元网格划分：根据步骤(3)中生成的ADPL命令流文件，调用有限元分析软件执行命令流文件，最终生成CBD网格文件；
(5)网格划分结果显示：后台运行Ansys读取CBD网格文件，显示网格模型的预览图、网格数量以及网格质量参数；设计人员根据计算结果，重新进行步骤(2)进行参数调整，重复步骤(2)到步骤(5)直到生成符合要求的网格划分结果；
(6)有限元计算参数设置：根据卫浴洁具的类型和实际需求，自动对卫浴洁具的各个模块分别进行有限元计算参数设置；
(7)Journal命令流文件自动生成：将步骤(6)中设置的参数、网格划分过程操作转换为Journal操作命令，并生成Journal命令流文件
(8)有限元计算结果显示：通过PictureBox控件读取并显示显示步骤(8)中的Fluent计算结果截图。
有益效果
本发明提供了一种针对于卫浴洁具的自动化有限元网格建模方法，使操作人员完全避开了对有限元网格建模软件的繁琐操作，大大降低了对操作者专业软件技能的要求，提高了设计分析效率，缩短了产品开发周期，实现了自动建模，本方法可广泛应用于卫浴洁具的工程设计和仿真测试。
附图说明
图1本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式：
(1)卫浴洁具模型导入：在操作界面中选择卫浴洁具的类型为座便器，此时需要导入的三维几何模型模块分别为：水箱、座圈、水包、管道，将上述模块的三维几何模型分别导入
(2)有限元网格划分参数设置：根据卫浴洁具的类型和实际需求，对卫浴洁具的各个模块分别进行网格划分参数设置，其中包括：单元形状控制参数、单元尺寸控制参数
由于卫浴洁具的几何模型一般较大，并且几何形状较为复杂，考虑到计算时间、精度等因素，需采用结构网格与非结构网格混合进行网格划分：针对虹吸式坐便器，需要将坐便器形状较为规则的模块的网格单元形状设置为六面体机构网格，将坐便器形状较不规则的模块的网格单元形状设置为四面体非结构网格。因此，由于水箱的形状较为规则，将其单元形状控制参数设置为六面体结构网格；座圈、水包、管道等单元形状控制参数设置为四面体非结构网格。
对于不同模块，网格划分的稀疏程度也应当不同：在计算敏感区,如水包、管道，参数变化梯度大，网格太稀则不能捕捉流场的重要信息；在非计算敏感处,如水箱、座圈，网格太密则耗用计算时间，故应采用较稀网格。因此，将水包、管道的单元尺寸控制参数设置为较密：30-50万网格；将水箱、座圈的单元尺寸控制参数设置为较疏：10-30万网格。
(3)APDL命令流文件自动生成：将步骤(2)中设置的参数、网格划分过程操作转换为APDL操作命令，并生成APDL命令流文件，具体实施步骤如下：后台自动根据APDL命令流编程规范将步骤(2)中设置的参数、默认参数、网格划分过程的操作以操作命令的形式转换为APDL操作命令，然后通过C#调用System.IO库来创建ADPL命令流文件
(4)有限元网格划分：根据步骤(3)中生成的ADPL命令流文件，调用有限元分析软件执行命令流文件，最终生成CBD网格文件，具体实施步骤如下：后台自动使用WinExec函数调用Ansys运行在批处理模式下，然后调用Ansys运行步骤(3)中生成的APDL命令流文件，实现Ansys自动对卫浴洁具几何模型的网格划分，最终生成CBD网格文件
(5)网格划分结果显示：后台运行Ansys读取CBD网格文件，显示网格模型的预览图、网格数量以及网格质量参数：Skewness、Jacobian Ratio；设计人员根据计算结果，可以选择重新进行步骤(2)的参数进行调整，重复步骤(2)到步骤(5)直到生成符合要求的网格划分结果
(6)有限元计算参数设置：根据卫浴洁具的类型和实际需求，自动对卫浴洁具的各个模块分别进行有限元计算参数设置，其中包括：流体属性参数：各相的粘度、密度；边界条件参数：工作压力及参考压力点位置、压力入口及压力出口位置、重力加速度。有限元计算主要考虑冲水过程
具体的参数设置方法如下：
对于流体属性参数：
座便器冲水过程中，水箱内液体为清水，其密度和粘度分别为998.203kg/L和1.087*10-3(Pa·s)；为了方便模拟计算，将水封内液体视为等效污物，设计人员根据需要设置其动力粘度；其余位置为空气，其动力粘度为1.81*10-5(Pa·s)。
对于边界条件参数：
工作压力为大气压,即101.325KPa，参考压力点定义在水箱顶部；定义水箱入口、水封上方为压力入口，管道出口为压力出口；重力加速度为9.80665m/s2。
(7)Journal命令流文件自动生成：将步骤(6)中设置的参数、网格划分过程操作转换为Journal操作命令，并生成Journal命令流文件，具体实施步骤如下：
后台自动根据Journal命令流编程规范、步骤(4)中的网格文件、步骤(6)中设置的有限元计算参数、有限元计算的操作、截取Fluent计算结果的操作以操作命令的形式转换为Journal操作命令，然后通过C#调用System.IO库来创建Journal命令流文件有限元仿真计算：根据步骤(7)中生成的Journal命令流文件，调用有限元分析软件执行命令流文件，最终生成Flunent数据文件Fluent计算结果截图，具体实施步骤如下：
后台使用WinExec函数调用Fluent运行在批处理模式下，调用Fluent运行步骤(7)中生成的Journal命令流文件，实现操作Fluent自动对卫浴洁具进行有限元仿真计算，最终生成Fluent数据文件、Fluent计算结果截图；其中，数据文件是Fluent软件计算所得的结果导出的文件，Fluent计算结果截图包括：流体初始相位图、不同时刻的流动情况图、管道相关图像(流体流线图、流体速度矢量图、流体静压分布图)、管道入口截面速度曲线图、管道出口截面速度曲线图、管道入口截面压强曲线图、管道出口截面压强曲线图
(8)有限元计算结果显示：通过PictureBox控件读取并显示显示步骤(8)中的Fluent计算结果截图。
Claims (5)
1.一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)卫浴洁具模型导入：在操作界面中选择卫浴洁具的类型，导入三维几何模型模块；
(2)有限元网格划分参数设置：根据卫浴洁具的类型和实际需求，对卫浴洁具的各个三维几何模型模块分别进行网格划分参数设置，其中包括：单元形状控制参数、单元尺寸控制参数；
(3)APDL命令流文件自动生成：将步骤(2)中设置的参数、网格划分过程操作转换为APDL操作命令，并生成APDL命令流文件；
(4)有限元网格划分：根据步骤(3)中生成的ADPL命令流文件，调用有限元分析软件执行命令流文件，最终生成CBD网格文件；
(5)网格划分结果显示：后台运行Ansys读取CBD网格文件，显示网格模型的预览图、网格数量以及网格质量参数；设计人员根据计算结果，重新进行步骤(2)进行参数调整，重复步骤(2)到步骤(5)直到生成符合要求的网格划分结果；
(6)有限元计算参数设置：根据卫浴洁具的类型和实际需求，自动对卫浴洁具的各个模块分别进行有限元计算参数设置；
(7)Journal命令流文件自动生成：将步骤(6)中设置的参数、网格划分过程操作转换为Journal操作命令，并生成Journal命令流文件
(8)有限元计算结果显示：通过PictureBox控件读取并显示步骤(8)中的Fluent计算结果截图。
2.根据权利要求1所述的一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法，其特征在于，步骤(1)所述的三维几何模型模块包括：水箱、座圈、水包、管道。
3.根据权利要求1所述的一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法，其特征在于，步骤(2)用结构网格与非结构网格混合进行网格划分：针对虹吸式坐便器，将坐便器形状规则的模块的网格单元形状设置为六面体机构网格，将坐便器形状较规则的模块的网格单元形状设置为四面体非结构网格；
网格划分的稀疏程度不同：在计算敏感区，单元尺寸控制参数设置为30-50万网格；非计算敏感处，单元尺寸控制参数设置为10-30万网格。
4.根据权利要求1所述的一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法，其特征在于，步骤(5)所述的网格质量参数包括：Skewness、Jacobian Ratio。
5.根据权利要求1所述的一种应用于卫浴洁具的自动化有限元建模方法，其特征在于，步骤(6)所述有限元计算参数包括流体属性参数和边界条件参数，其中，流体属性参数包括各相的粘度、密度；边界条件参数包括工作压力及参考压力点位置、压力入口及压力出口位置、重力加速度。
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