CN114022641B - 一种含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法。该有限元网格生成方法包括以下步骤：计算蜂窝夹芯板在长度宽度方向的蜂窝数目；构建蜂窝夹芯板各种组件的几何模型；生成蜂窝夹芯板几何模型；生成蜂窝夹芯板有限元网格模型；生成凹坑缺陷；获得含凹坑缺陷蜂窝夹芯板有限元网格模型。该有限元网格生成方法，只要给出含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的外形尺寸，就能够自动构建相应蜂窝夹芯板的有限元网格模型；只要给出凹坑缺陷参数，就能够自动构建相应含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格模型；能够为高效开展不同凹坑缺陷参数对蜂窝夹芯板力学性能影响的对比分析工作提供技术支持，特别适合应用于含凹坑缺陷蜂窝夹芯板力学性能评估。

Description

一种含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法
技术领域
本发明属于有限元网格生成技术领域，具体涉及一种含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法。
背景技术
金属蜂窝夹芯板具有优良的力学性能，在航空航天领域具有非常广泛地应用。然而，制造、装配、运输等过程中产生的外力有可能在金属蜂窝夹芯板内部制造各种各样的缺陷，如凹坑缺陷、面芯脱焊缺陷等，其中凹坑缺陷是最为常见的缺陷之一。准确高效获得凹坑缺陷对结构力学性能的影响规律，对金属蜂窝夹芯板的优化设计、可重复使用评估具有重要意义。因此，需要寻找一种能够高效构建含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法。
发明内容
金属蜂窝夹芯板是一种由蜂窝芯和面板连接而成的结构，其中蜂窝芯具有明显的几何排布规律性。构建金属蜂窝夹芯板的有限元模型时，一般通过节点等效的方式连接蜂窝芯和面板。因此对金属蜂窝夹芯板进行参数化建模时，需要综合考虑蜂窝芯与面板的连接特点。凹坑缺陷则需建立在获得金属蜂窝夹芯板有限元模型的基础上。
鉴于上述含凹坑缺陷蜂窝夹芯板结构的实际特点，本发明所要解决的技术问题是提供一种含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法。
本发明的含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法，包括以下步骤：
S1.计算蜂窝夹芯板在长度宽度方向的蜂窝数目；
根据蜂窝夹芯板的外形尺寸，即总长L、总宽W、总高H、蜂窝边长l0、蜂窝高度h0，计算(L-2l0)/(3l0)，并取整后得nx，则长度方向蜂窝数目为2nx+1；计算并取整后得ny，则宽度方向蜂窝数目为ny。
S2.构建蜂窝夹芯板各种组件的几何模型；
将蜂窝夹芯板分解为三种基本组件，分别为直角三角形、正六边形棱柱壳体、等腰梯形；
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅰ的直角三角形的几何模型，将直角顶点约束在坐标系原点，长边与坐标系+Y轴重合，短边与坐标系+X轴重合，短边所对内角为30°，初始斜边长度设置为任一大于0的常数值const1，提取直角三角形创建过程所对应的命令流，并用蜂窝边长l0替换const1；
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅱ的正六边形棱柱壳体的几何模型，正六边形的几何中心约束在坐标系原点，一组对边与坐标系X轴平行，初始边长设置为任一大于0的常数值const2，利用正六边形创建高度为h0的棱柱并对棱柱进行抽壳处理，提取正六边形创建过程所对应的命令流，并用蜂窝边长l0替换const2；
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅲ的等腰梯形的几何模型，等腰梯形的长平行边的中点约束在坐标系原点，短平行边与坐标系X轴平行并位于坐标系X轴的上方，设置长平行边与斜边的夹角为60°，初始斜边长度设置为任一大于0的常数值const3，提取等腰梯形创建过程所对应的命令流，并用蜂窝边长l0替换const3；
S3.生成蜂窝夹芯板几何模型；
S31.编程构建由点(0,0,0)指向点的参考轴，并沿着参考轴对组件Ⅱ进行间距为/>数目为2的线性阵列，形成新的组件ⅡB；沿着坐标系+X轴和坐标系+Y轴对组件Ⅱ同时分别进行间距为3l0数目为nx+1、间距为/>数目为ny的线性阵列，沿着坐标系+X轴和坐标系+Y轴对组件ⅡB同时分别进行间距为3l0数目为nx、间距为/>数目为ny-1的线性阵列；
S32.基于平面对组件Ⅲ进行镜像得组件ⅢB，沿着矢量/> 移动组件ⅢB，沿着坐标系+X轴和坐标系+Z轴对组件ⅢB同时分别进行间距为3l0数目为nx、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；沿着矢量/>移动组件Ⅲ，沿着坐标系+X轴和坐标系+Z轴对组件Ⅲ同时分别进行间距为3l0数目为nx、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S33.基于平面对组件Ⅰ进行镜像得组件ⅠB，沿着矢量/> 移动组件ⅠB，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠB同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S34.基于平面x＝0对组件Ⅰ进行镜像得组件ⅠC，沿着矢量 移动组件ⅠC，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠC同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S35.基于平面x＝0对组件ⅠB进行镜像得组件ⅠD，沿着矢量 移动组件ⅠD，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠD同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；沿着矢量/> 移动组件Ⅰ，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件Ⅰ同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S4.生成蜂窝夹芯板有限元网格模型；
在组件Ⅰ、组件Ⅱ、组件Ⅲ的每条边长上均布置数目为任一正整数值const4的网格种子，采用四边形网格对所有组件进行离散，得到各组件的有限元网格模型；对步骤S3中生成的蜂窝夹芯板几何模型所对应的有限元网格模型进行节点等效并删除重复网格；提取生成蜂窝夹芯板有限元网格模型所对应的命令流，并用网格种子数n0替换const4；
S5.生成凹坑缺陷；
计算步骤S4生成的蜂窝夹芯板有限元网格模型下面板的几何中心p0的坐标，得到几何中心p0的坐标为选择蜂窝夹芯板下面板上以几何中心p0为圆心、半径为凹坑半径d0/2的圆形区域内的所有节点，以所选节点的数目为循环数构建循环，依次修改所选节点的z坐标，修改后所选节点的z坐标为/>其中d1为凹坑深度，r1为中间参数，r1值为d1/2+d0 2/8d1，r为节点距几何中心p0的距离；
S6.获得含凹坑缺陷蜂窝夹芯板有限元网格模型，结束。
本发明含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法，只要给出含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的外形尺寸，即蜂窝夹芯板的总长L、总宽W、总高H，蜂窝边长l0、蜂窝高度h0，就能够自动构建相应蜂窝夹芯板的有限元网格模型，能有效提高建模效率；只要给出凹坑缺陷参数，即凹坑直径d0、凹坑深度d1，就能够自动构建相应含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格模型；为高效开展不同凹坑缺陷参数对蜂窝夹芯板力学性能影响的对比分析工作提供技术支持，特别适合应用于含凹坑缺陷蜂窝夹芯板力学性能评估。
附图说明
图1为蜂窝夹芯板的组件Ⅰ(直角三角形的几何模型)；
图2为蜂窝夹芯板的组件Ⅱ(正六边形棱柱壳体的几何模型)；
图3为蜂窝夹芯板的组件Ⅲ(等腰梯形的几何模型)；
图4为蜂窝夹芯板的几何模型；
图5为蜂窝夹芯板有限元网格模型；
图6为含凹坑缺陷的蜂窝夹芯板有限元网格模型。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
设某含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的主要尺寸为：总长L为150mm，总宽W为60mm，总高H为8mm，蜂窝边长l0为8.66mm，蜂窝高度h0为7mm，网格种子数n0为6，凹坑直径d0为30mm，凹坑深度d1为1mm。
S1.计算蜂窝夹芯板在长度宽度方向的蜂窝数目；
计算(L-2l0)/(3l0)并取整后得nx＝5，则长度方向蜂窝数目为2nx+1＝11；计算并取整后得ny＝4，则宽度方向蜂窝数目为4。
S2.构建蜂窝夹芯板各种组件的几何模型；
把蜂窝夹芯板分解为三种基本组件，分别为直角三角形、正六边形棱柱壳体、等腰梯形。
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅰ的几何模型，该组件为直角三角形，其直角顶点约束在坐标系原点，其长边与坐标系+Y轴重合，其短边与坐标系+X轴重合，短边所对内角大小为30°，斜边长度设置为8.66mm；创建组件Ⅱ的正六边形，正六边形的几何中心约束在坐标系原点，一对边与坐标系X轴平行，边长设置为8.66mm，利用该正六边形创建高度为7mm的棱柱并对该棱柱进行抽壳处理；创建组件Ⅲ的几何模型，该组件为等腰梯形，其长平行边的中点约束在坐标系原点，短平行边与坐标系X轴平行并位于坐标系X轴的上方，设置长平行边与斜边的夹角为60°，斜边长度设置8.66mm。蜂窝夹芯板几何模型基本组件如图1～图3所示。
S3.生成蜂窝夹芯板几何模型；
S31.编程构建由点(0,0,0)指向点的参考轴并沿着该轴对组件Ⅱ进行间距为15mm数目为2的线性阵列，形成新的组件ⅡB；沿着坐标系+X轴和坐标系+Y轴对组件Ⅱ同时分别进行间距为25.98mm数目为6、间距为15mm数目为4的线性阵列，沿着坐标系+X轴和坐标系+Y轴对组件ⅡB同时分别进行间距为25.98mm数目为4、间距为15mm数目为3的线性阵列；
S32.基于平面y＝7.5mm对组件Ⅲ进行镜像得组件ⅢB，沿着矢量(12.99,52.5,0)mm移动组件ⅢB，沿着坐标系+X轴和坐标系+Z轴对组件ⅢB同时分别进行间距为25.98mm数目为5、间距为蜂窝高度7mm数目为2的线性阵列；沿着矢量(12.99,-7.5,0)mm移动组件Ⅲ，沿着坐标系+X轴和坐标系+Z轴对组件Ⅲ同时分别进行间距为25.98mm数目为5、间距为蜂窝高度7mm数目为2的线性阵列；
S33.基于平面y＝7.5mm对组件Ⅰ进行镜像得组件ⅠB，沿着矢量(-8.66,7.5,0)mm移动组件ⅠB，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠB同时分别进行间距为15mm数目为4、间距为蜂窝高度7mm数目为2的线性阵列；
S34.基于平面x＝0mm对组件Ⅰ进行镜像得组件ⅠC，沿着矢量(138.56,-7.5,0)mm移动组件ⅠC，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠC同时分别进行间距为15mm数目为4、间距为蜂窝高度7mm数目为2的线性阵列；
S35.基于平面x＝0mm对组件ⅠB进行镜像得组件ⅠD，沿着矢量(138.56,7.5,0)mm移动组件ⅠD，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠD同时分别进行间距为15mm数目为4、间距为蜂窝高度7mm数目为2的线性阵列；沿着矢量(-8.66,-7.5,0)mm移动组件Ⅰ，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件Ⅰ同时分别进行间距为15mm数目为4、间距为蜂窝高度7mm数目为2的线性阵列。蜂窝夹芯板几何模型如图4所示。
S4.生成蜂窝夹芯板有限元网格模型；
在组件Ⅰ、组件Ⅱ、组件Ⅲ的每条边长上均布置数目为6的网格种子，采用四边形网格对所有组件进行离散，得到各组件的有限元网格模型；对步骤3)中生成的蜂窝夹芯板几何模型所对应的有限元网格模型进行节点等效并删除重复网格。蜂窝夹芯板网格模型如图5所示。
S5.生成凹坑缺陷；
计算步骤S4生成的蜂窝夹芯板有限元网格模型下面板的几何中心p0的坐标，该几何中心的坐标为(58.455,22.499,0)mm；选择蜂窝夹芯板下面板上以几何中心p0为圆心、半径为凹坑半径15mm的圆形区域内的所有节点，以所选节点的数目为循环数构建循环，依次修改所选节点的z坐标，修改后所选节点的z坐标为其中d1为凹坑深度，其值为1mm，r1为中间参数，其值为/>r为节点距几何中心p0的距离；
S6.获得含凹坑缺陷蜂窝夹芯板有限元网格模型，结束。含凹坑缺陷蜂窝夹芯板有限元网格模型如图6所示。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速边界层转捩模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种含凹坑缺陷蜂窝夹芯板的有限元网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.计算蜂窝夹芯板在长度宽度方向的蜂窝数目；
根据蜂窝夹芯板的外形尺寸，即总长L、总宽W、总高H、蜂窝边长l0、蜂窝高度h0，计算(L-2l0)/(3l0)，并取整后得nx，则长度方向蜂窝数目为2nx+1；计算并取整后得ny，则宽度方向蜂窝数目为ny；
S2.构建蜂窝夹芯板各种组件的几何模型；
将蜂窝夹芯板分解为三种基本组件，分别为直角三角形、正六边形棱柱壳体、等腰梯形；
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅰ的直角三角形的几何模型，将直角顶点约束在坐标系原点，长边与坐标系+Y轴重合，短边与坐标系+X轴重合，短边所对内角为30°，初始斜边长度设置为任一大于0的常数值const1，提取直角三角形创建过程所对应的命令流，并用蜂窝边长l0替换const1；
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅱ的正六边形棱柱壳体的几何模型，正六边形的几何中心约束在坐标系原点，一组对边与坐标系X轴平行，初始边长设置为任一大于0的常数值const2，利用正六边形创建高度为h0的棱柱并对棱柱进行抽壳处理，提取正六边形创建过程所对应的命令流，并用蜂窝边长l0替换const2；
在通用有限元软件的GUI界面中，创建组件Ⅲ的等腰梯形的几何模型，等腰梯形的长平行边的中点约束在坐标系原点，短平行边与坐标系X轴平行并位于坐标系X轴的上方，设置长平行边与斜边的夹角为60°，初始斜边长度设置为任一大于0的常数值const3，提取等腰梯形创建过程所对应的命令流，并用蜂窝边长l0替换const3；
S3.生成蜂窝夹芯板几何模型；
S31.编程构建由点(0,0,0)指向点的参考轴，并沿着参考轴对组件Ⅱ进行间距为/>数目为2的线性阵列，形成新的组件ⅡB；沿着坐标系+X轴和坐标系+Y轴对组件Ⅱ同时分别进行间距为3l0数目为nx+1、间距为/>数目为ny的线性阵列，沿着坐标系+X轴和坐标系+Y轴对组件ⅡB同时分别进行间距为3l0数目为nx、间距为/>数目为ny-1的线性阵列；
S32.基于平面对组件Ⅲ进行镜像得组件ⅢB，沿着矢量/> 移动组件ⅢB，沿着坐标系+X轴和坐标系+Z轴对组件ⅢB同时分别进行间距为3l0数目为nx、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；沿着矢量/>移动组件Ⅲ，沿着坐标系+X轴和坐标系+Z轴对组件Ⅲ同时分别进行间距为3l0数目为nx、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S33.基于平面对组件Ⅰ进行镜像得组件ⅠB，沿着矢量/> 移动组件ⅠB，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠB同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S34.基于平面x＝0对组件Ⅰ进行镜像得组件ⅠC，沿着矢量 移动组件ⅠC，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠC同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S35.基于平面x＝0对组件ⅠB进行镜像得组件ⅠD，沿着矢量 移动组件ⅠD，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件ⅠD同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；沿着矢量/> 移动组件Ⅰ，沿着坐标系+Y轴和坐标+Z轴对组件Ⅰ同时分别进行间距为/>数目为ny、间距为蜂窝高度h0数目为2的线性阵列；
S4.生成蜂窝夹芯板有限元网格模型；
在组件Ⅰ、组件Ⅱ、组件Ⅲ的每条边长上均布置数目为任一正整数值const4的网格种子，采用四边形网格对所有组件进行离散，得到各组件的有限元网格模型；对步骤S3中生成的蜂窝夹芯板几何模型所对应的有限元网格模型进行节点等效并删除重复网格；提取生成蜂窝夹芯板有限元网格模型所对应的命令流，并用网格种子数n0替换const4；
S5.生成凹坑缺陷；
计算步骤S4生成的蜂窝夹芯板有限元网格模型下面板的几何中心p0的坐标，得到几何中心p0的坐标为选择蜂窝夹芯板下面板上以几何中心p0为圆心、半径为凹坑半径d0/2的圆形区域内的所有节点，以所选节点的数目为循环数构建循环，依次修改所选节点的z坐标，修改后所选节点的z坐标为/>其中d1为凹坑深度，r1为中间参数，r1值为/>r为节点距几何中心p0的距离；
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