CN112861395B - 一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，构建理想方形表面的几何模型和网格模型、创建理想方形表面有限元网格生成脚本文件、计算理想方形表面网格模型中长边方向和宽边方向的节点数、计算实测数据中一个周期内长边方向和宽边方向的测点数、计算理想方形表面长边方向和宽边方向的采样步长、创建采样数据数组、获取理想圆形表面网格模型中的所有节点、修改网格模型中各节点的z坐标、获得方形表面的微观有限元网格模型。对白光干涉仪实测数据进行合理抽样后，可自动构建方形表面的微观有限元网格模型，能有效提高建模效率。

Description

一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法
技术领域
本发明涉及接触界面传热数值仿真分析领域，具体来说，涉及一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法。
背景技术
低温风洞内，结构零部件之间存在着多种几何外形、多种尺寸大小的接触界面。接触界面极大提高了该处的接触热阻，严重影响着结构的传热性能。因此，低温结构的热力学分析势必要考虑零部件之间的接触界面传热。接触界面的传热模拟一直是国内外学者的研究热点之一，主要难点在于高精度接触热阻的获取。为获取接触界面的接触热阻，以往一般通过试验进行测量，或直接选用经验值。试验测量不仅需要花费大量的时间，而且成本高昂；直接选用经验值则无法保证热力学分析结果的可靠性和准确性。因此，开展数值仿真方法研究成为获取高精度接触热阻的热门途径。研究表明接触界面存在大量的微细凸起，使得接触界面传热过程中实际接触面积远小于名义接触面积，因此接触界面的精细模拟成为接触传热数值仿真分析的关键和难点之一。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，包括以下步骤：
S1、构建理想方形表面的几何模型和网格模型，在通用有限元软件UI界面依次输入关键几何参数，构建理想方形表面的几何模型；输入关键网格参数，利用结构化网格划分方法构建理想方形表面的网格模型；关键参数包括：方形表面的形心(x0,y0)、长l0和宽w0，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn；
S2、创建理想方形表面有限元网格生成脚本文件，提取方形表面几何模型和网格模型构建过程中产生的命令流；
S3、计算理想方形表面网格模型中长边方向和宽边方向的节点数；
S4、计算实测数据中一个周期内长边方向和宽边方向的测点数，分析白光干涉仪的实测数据，把所有测点的x、y、z坐标分离出来并组建三个数据文件；分析测点x坐标和y坐标的周期性，获得一个周期内x方向和y方向的测点数，分别为tln和twn；明确测点坐标与理想方形表面长边方向和宽边方向的对应关系，即测点坐标中x方向与理想方形表面的长边方向同向，测点坐标中y方向与理想方形表面的宽边方向同向；把上述三个数据文件导入通用有限元软件中；
S5、计算理想方形表面长边方向和宽边方向的采样步长，获取理想方形表面长边方向的采样步长ls和理想方形表面宽边方向的采样步长ws；
S6、创建采样数据数组，在S2更新的脚本文件中，编程实现双重循环，双重循环包括外循环和内循环，循环完毕后即可得采样数据数组；
S7、获取理想圆形表面网格模型中的所有节点，在S6更新的脚本文件中，编程构建虚拟长方体，使得理想圆形表面网格模型的所有节点均被包含在内，并实现所有节点的获取；
S8、修改网格模型中各节点的z坐标，在S7更新的脚本文件中，利用S6创建的采样数据数组，以采样数据数组长度为循环数，编程实现S7中所选节点z坐标的更改；
S9、获得方形表面的微观有限元网格模型。
进一步地，在S1中，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn为可变关键参数。
进一步地，在S2中，把可变关键参数ln和wn设置为变量，并用变量替换命令流中关键参数对应的常值，获得参数驱动的理想方形表面有限元网格生成脚本文件。
进一步地，在S3中，理想方形表面网格模型中长边方向的节点数为ln+1、宽边方向的节点数为wn+1。
进一步地，在S5中，所述理想方形表面长边方向的测点数tln除以该方向的节点数ln+1并取整，即得长边方向的采样步长ls。
进一步地，在S5中，所述理想方形表面宽边方向的测点数twn除以该方向的节点数wn+1并取整，即得宽边方向的采样步长ws。
进一步地，在S6中，所述外循环以理想方形表面网格模型宽边方向的节点数wn+1为循环数，采样步长取ws。
进一步地，在S6中，所述内循环以理想方形表面网格模型长边方向的节点数ln+1为循环数，采样步长取ls。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，对白光干涉仪实测数据进行合理抽样后，可自动构建方形表面的微观有限元网格模型，能有效提高建模效率。
2、本发明提供的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，给方形表面长边和宽边分别设置不同的网格参数，可高效对比分析不同网格参数对微观有限元网格模型的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的理想方形表面图；
图2是根据本发明实施例的实测数据图；
图3是根据本发明实施例的理想方形表面网格模型图；
图4是根据本发明实施例的抽样数据图；
图5是根据本发明实施例的虚拟长方体图；
图6是根据本发明实施例的方形表面微观有限元网格模型图。
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
方形表面一般采用铣削加工而成，其表面微型凸起具有很强的随机性，可用白光干涉仪测得分辨率范围内各微型凸起的主要信息。鉴于上述方形表面的实际特点，本发明解决该类方形表面的微观有限元网格生成问题。分别给方形表面长边和宽边设置合适的单元数，即可自动构建方形表面的微观有限元网格模型，能显著提高建模效率、分析不同网格参数对微观有限元网格模型的影响。
根据本发明的实施例，一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，包括以下步骤：
S1、构建理想方形表面的几何模型和网格模型，在通用有限元软件UI界面依次输入关键几何参数，构建理想方形表面的几何模型；输入关键网格参数，利用结构化网格划分方法构建理想方形表面的网格模型；关键参数包括：方形表面的形心(x0,y0)、长l0和宽w0，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn；
S2、创建理想方形表面有限元网格生成脚本文件，提取方形表面几何模型和网格模型构建过程中产生的命令流；
S3、计算理想方形表面网格模型中长边方向和宽边方向的节点数；
S4、计算实测数据中一个周期内长边方向和宽边方向的测点数，分析白光干涉仪的实测数据，把所有测点的x、y、z坐标分离出来并组建三个数据文件；分析测点x坐标和y坐标的周期性，获得一个周期内x方向和y方向的测点数，分别为tln和twn；明确测点坐标与理想方形表面长边方向和宽边方向的对应关系，即测点坐标中x方向与理想方形表面的长边方向同向，测点坐标中y方向与理想方形表面的宽边方向同向；把上述三个数据文件导入通用有限元软件中；
S5、计算理想方形表面长边方向和宽边方向的采样步长，获取理想方形表面长边方向的采样步长ls和理想方形表面宽边方向的采样步长ws；
S6、创建采样数据数组，在S2更新的脚本文件中，编程实现双重循环，双重循环包括外循环和内循环，循环完毕后即可得采样数据数组；
S7、获取理想圆形表面网格模型中的所有节点，在S6更新的脚本文件中，编程构建虚拟长方体，使得理想圆形表面网格模型的所有节点均被包含在内，并实现所有节点的获取；
S8、修改网格模型中各节点的z坐标，在S7更新的脚本文件中，利用S6创建的采样数据数组，以采样数据数组长度为循环数，编程实现S7中所选节点z坐标的更改；
S9、获得方形表面的微观有限元网格模型。
在S1中，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn为可变关键参数。
在S2中，把可变关键参数ln和wn设置为变量，并用变量替换命令流中关键参数对应的常值，获得参数驱动的理想方形表面有限元网格生成脚本文件。
在S3中，理想方形表面网格模型中长边方向的节点数为ln+1、宽边方向的节点数为wn+1。
在S5中，所述理想方形表面长边方向的测点数tln除以该方向的节点数ln+1并取整，即得长边方向的采样步长ls。
在S5中，所述理想方形表面宽边方向的测点数twn除以该方向的节点数wn+1并取整，即得宽边方向的采样步长ws。
在S6中，所述外循环以理想方形表面网格模型宽边方向的节点数wn+1为循环数，采样步长取ws。
在S6中，所述内循环以理想方形表面网格模型长边方向的节点数ln+1为循环数，采样步长取ls。
图1为理想方形表面，形心坐标为(x0,y0)，长边长度为l0，宽边长度为w0。采用白光干涉仪依次读取各测点的z坐标，并形成图2所示实测数据曲线。
本发明采用的方法为：
第一步、构建理想方形表面的几何模型和网格模型。在通用有限元软件UI界面依次输入关键几何参数，构建理想方形表面的几何模型；输入关键网格参数，利用结构化网格划分方法构建理想方形表面的网格模型，如图3所示。关键参数包括：方形表面的形心(x0,y0)、长l0和宽w0，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn，其中网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn为可变关键参数。
第二步、创建理想方形表面有限元网格生成脚本文件。提取方形表面几何模型和网格模型构建过程中产生的命令流，把可变关键参数ln和wn设置为变量，并用变量替换命令流中关键参数对应的常值，获得参数驱动的理想方形表面有限元网格生成脚本文件。
第三步、计算理想方形表面网格模型中长边方向和宽边方向的节点数。理想方形表面网格模型中长边方向的节点数为ln+1，宽边方向的节点数为wn+1。
第四步、计算实测数据中一个周期内长边方向和宽边方向的测点数。分析白光干涉仪的实测数据，把所有测点的x、y、z坐标分离出来并组建三个数据文件。分析测点x坐标和y坐标的周期性，获得一个周期内x方向和y方向的测点数，分别为tln和twn。明确测点坐标与理想方形表面长边方向和宽边方向的对应关系，即测点坐标中x方向与理想方形表面的长边方向同向，测点坐标中y方向与理想方形表面的宽边方向同向。把上述三个数据文件导入通用有限元软件中。
第五步、计算理想方形表面长边方向和宽边方向的采样步长。理想方形表面长边方向的测点数tln除以该方向的节点数ln+1并取整，即得长边方向的采样步长ls。理想方形表面宽边方向的测点数twn除以该方向的节点数wn+1并取整，即得宽边方向的采样步长ws。
第六步、创建采样数据数组。在步骤二更新的脚本文件中，编程实现双重循环，其中外循环以理想方形表面网格模型宽边方向的节点数wn+1为循环数，采样步长取ws；内循环以理想方形表面网格模型长边方向的节点数ln+1为循环数，采样步长取ls。循环完毕后即可得采样数据数组，如图4所示。
第七步、获取理想圆形表面网格模型中的所有节点。在步骤六更新的脚本文件中，编程构建虚拟长方体，使得理想圆形表面网格模型的所有节点均被包含在内，并实现所有节点的获取，如图5所示。
第八步、修改网格模型中各节点的z坐标。在步骤七更新的脚本文件中，利用步骤六创建的采样数据数组，以采样数据数组长度为循环数，编程实现步骤七中所选节点z坐标的更改。
第九步、获得如图6所示圆形表面微观有限元网格模型。
综上所述，对白光干涉仪实测数据进行合理抽样后，可自动构建方形表面的微观有限元网格模型，能有效提高建模效率；给方形表面长边和宽边分别设置不同的网格参数，可高效对比分析不同网格参数对微观有限元网格模型的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、构建理想方形表面的几何模型和网格模型，在通用有限元软件UI界面依次输入关键几何参数，构建理想方形表面的几何模型；输入关键网格参数，利用结构化网格划分方法构建理想方形表面的网格模型；关键参数包括：方形表面的形心(x0,y0)、长l0和宽w0，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn；
S2、创建理想方形表面有限元网格生成脚本文件，提取方形表面几何模型和网格模型构建过程中产生的命令流；
S3、计算理想方形表面网格模型中长边方向和宽边方向的节点数；
S4、计算实测数据中一个周期内长边方向和宽边方向的测点数，分析白光干涉仪的实测数据，把所有测点的x、y、z坐标分离出来并组建三个数据文件；分析测点x坐标和y坐标的周期性，获得一个周期内x方向和y方向的测点数，分别为tln和twn；明确测点坐标与理想方形表面长边方向和宽边方向的对应关系，即测点坐标中x方向与理想方形表面的长边方向同向，测点坐标中y方向与理想方形表面的宽边方向同向；把上述三个数据文件导入通用有限元软件中；
S5、计算理想方形表面长边方向和宽边方向的采样步长，获取理想方形表面长边方向的采样步长ls和理想方形表面宽边方向的采样步长ws；
S6、创建采样数据数组，在S2更新的脚本文件中，编程实现双重循环，双重循环包括外循环和内循环，循环完毕后即可得采样数据数组；
S7、获取理想圆形表面网格模型中的所有节点，在S6更新的脚本文件中，编程构建虚拟长方体，使得理想圆形表面网格模型的所有节点均被包含在内，并实现所有节点的获取；
S8、修改网格模型中各节点的z坐标，在S7更新的脚本文件中，利用S6创建的采样数据数组，以采样数据数组长度为循环数，编程实现S7中所选节点z坐标的更改；
S9、获得方形表面的微观有限元网格模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S1中，网格模型中长边方向的单元数ln和宽边方向的单元数wn为可变关键参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S2中，把可变关键参数ln和wn设置为变量，并用变量替换命令流中关键参数对应的常值，获得参数驱动的理想方形表面有限元网格生成脚本文件。
4.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S3中，理想方形表面网格模型中长边方向的节点数为ln+1、宽边方向的节点数为wn+1。
5.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S5中，所述理想方形表面长边方向的测点数tln除以该方向的节点数ln+1并取整，即得长边方向的采样步长ls。
6.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S5中，所述理想方形表面宽边方向的测点数twn除以该方向的节点数wn+1并取整，即得宽边方向的采样步长ws。
7.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S6中，所述外循环以理想方形表面网格模型宽边方向的节点数wn+1为循环数，采样步长取ws。
8.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的方形表面微观有限元网格生成方法，其特征在于，在S6中，所述内循环以理想方形表面网格模型长边方向的节点数ln+1为循环数，采样步长取ls。
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