CN113553736A - 一种结构有限元快速加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有限元分析载荷快速加载方法技术领域，尤其是一种结构有限元快速加载方法，选取结构原始载荷，对原始载荷进行分类：分为分布的面载、集中力和离散点力。本发明的一种结构有限元快速加载方法主要为外载荷向有限元模型节点和单元对应的坐标位置进行快速映射，能实现结构载荷到有限元模型的快速加载、并生成格式化加载卡片，快速高效且便于重用，该方法可以大幅提升有限元加载效率、简化前处理工作。
Description
技术领域
本发明涉及有限元分析载荷快速加载方法技术领域，尤其是一种结构有限元快速加载方法。
背景技术
针对复杂有限元模型，多工况的有限元载荷施加是一项繁杂且随意性很强的工作，而有限元模型的加载方法、输入载荷的分布和值的影响，对有限元计算结果的准确性是决定性的，这就务必要求一种高效、准确且简捷的加载方案。
传统的载荷计算前期都没有三维显示的辅助，常用的方法一是将原始载荷分配到最近的站位节点上，再由站位节点分配到站位周边的有限元节点上；二是将原始载荷分配到最近的两个站位上，两个站位按距离反比的方式来确定分配系数。这两种方式都将通过站位点作为中间过渡进行分配，这样的方式由于通过站位点去除了载荷点和有限元的相对位置关系，从而导致分配不均的问题。
对于复杂结构的有限元模型，即使通过三维显示等前处理工具拾取也很难准确捕获到加载位置，再加上结构构型变化和实际工况有很多种等因素，传统方法的有限元加载既费时费力、结果准确性还不能保证。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种改进的结构有限元快速加载方法，从而降低利用传统方式进行模型加载导致人为出错的概率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结构有限元快速加载方法，选取结构原始载荷，对原始载荷进行分类：分为分布的面载、集中力和离散点力；
对于面载直接调用三次样条插值及二次以上多项式算法，分别从面内的两个方向(一般为x向和y向)进行一维映射，而后进行耦合并生成格式化卡片 Force卡，以分布的气动载荷到有限元载荷映射为例，自动寻找有限元单元及其对应节点和原始载荷点，而后通过面内位置关系，自动选取薄板样条插值算法，进行映射插值；
对于集中力外载向有限元加载；
完成所有结构载荷的有限元加载，加载后要检查加载前的总载与加载后的总载量、载荷作用中心是否一致。
本发明的有益效果是：
本发明的一种结构有限元快速加载方法主要为外载荷向有限元模型节点和单元对应的坐标位置进行快速映射，能实现结构载荷到有限元模型的快速加载、并生成格式化加载卡片，快速高效且便于重用，该方法可以大幅提升有限元加载效率、简化前处理工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中分布载荷映射关系图。
图2是本发明中集中载荷映射关系图。
图3是本发明中气动点演示载荷及映射到有限元节点载荷的示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
图1、图2和图3所示的一种结构有限元快速加载方法，选取结构原始载荷，对原始载荷进行分类：分为分布的面载、集中力和离散点力；
对于面载直接调用三次样条插值及二次以上多项式算法，分别从面内的两个方向(一般为x向和y向)进行一维映射，而后进行耦合并生成格式化卡片 Force卡，以分布的气动载荷到有限元载荷映射为例，自动寻找有限元单元及其对应节点和原始载荷点，而后通过面内位置关系，自动选取薄板样条插值算法，进行映射插值；
薄板样条插值公式为：
式中
c1,c2,…,cN+1+n为待定系数；
N为X的维数；
ε为给定的常数，称为参量，对于一般平坦曲面ε＝10-2～1，对于有奇性的曲面可取ε＝10-5～10-6；
xPi为第i个已知节点的第P维坐标；
xPk为待求节点Xk的第P维坐标，根据公示的基础，形成如下矩阵：
令公式(2)中的N＝2，根据气动点的坐标构造出左边的A矩阵，根据已知点的压力值构造向量f，求解方程得到向量s，代入(2)式后得到有限元点上的压力值。图1给出了某机翼的已知压力值和插值得到的压力值的比较。图中的x和y坐标是沿着机翼弦向和展向的坐标，z坐标是压力。
对于集中力外载向有限元加载；
假设四边形面积是S，载荷作用点的投影点和四边形四个节点连成四个三角形，若
则认为载荷点投影到了四边形单元内部，则应该将该集中载荷分到这个四边形的节点上。
完成所有结构载荷的有限元加载，加载后要检查加载前的总载与加载后的总载量、载荷作用中心是否一致。
由图3可以看出，插值后的压力曲面和插值前的压力曲面吻合程度很好，可以由有限元节点上的压力积分得到节点的集中力。分配气动载荷的单元一般是模型表面的单元，大多数是四边形单元，还有少量的三角形单元。对于三角形单元，三个节点坐标为(xi,yi),i＝1,2,3,假设压力分布在单元上呈平面分布，即：
p＝Ax+By+C (3)
根据已知节点的压力值即可求出(3)式中的常数A、B和C。
假设三角形三个节点上的分到的载荷是fi,i＝1,2,3，则有
式(4)中的积分区域S是三角形的表面，经过推导可以得到：
式中：p0＝p1+p2+p3；
p1,p2和p3是三角形三个节点上的压力值；
S为三角形面积。
由以上方程组即可求解得到有限元单元中三角形节点的载荷，四边形单元可以化为两个三角形单元，再做如上的处理即可。
本发明的有益效果是：
本发明的一种结构有限元快速加载方法主要为外载荷向有限元模型节点和单元对应的坐标位置进行快速映射，能实现结构载荷到有限元模型的快速加载、并生成格式化加载卡片，快速高效且便于重用，该方法可以大幅提升有限元加载效率、简化前处理工作。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (1)
1.一种结构有限元快速加载方法，其特征在于：
选取结构原始载荷，对原始载荷进行分类：分为分布的面载、集中力和离散点力；
对于面载直接调用三次样条插值及二次以上多项式算法，分别从面内的两个方向(一般为x向和y向)进行一维映射，而后进行耦合并生成格式化卡片Force卡，以分布的气动载荷到有限元载荷映射为例，自动寻找有限元单元及其对应节点和原始载荷点，而后通过面内位置关系，自动选取薄板样条插值算法，进行映射插值；
对于集中力外载向有限元加载；
完成所有结构载荷的有限元加载，加载后要检查加载前的总载与加载后的总载量、载荷作用中心是否一致。
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