CN115186552A - 基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统 - Google Patents

基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统 Download PDF

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秦煜
孙明艳
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Abstract

本发明公开了基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统，涉及有限元仿真领域，其技术方案要点是：建立有限元模型，采集得到仿真数据；根据位移数据和载荷数据构建载荷‑位移曲线；根据层致密化应变计算出层致密化位移，并截取层致密化位移之前的载荷‑位移曲线部分为有效曲线；将有效曲线综合后得到梯度点阵结构的载荷数据和位移数据；根据梯度点阵结构的载荷数据和位移数据构建应力‑应变曲线；根据预设应变值匹配应变层以及确定应力值，并将应力值转换为载荷后调取应力‑应变云图，以及将各层的应力‑应变云图贴合后得到总应力‑应变云图。本发明可解决梯度点阵结构有限元仿真的运算量大、时间成本高和难以收敛的问题。

Description

基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及有限元仿真领域，更具体地说，它涉及基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统。
背景技术
有限元仿真对梯度点阵结构进行压缩性能分析和预测方面有着独特的优势，分析结果不仅可以使工程师直观了解结构压缩时的应力-应变曲线、应力和应变分布和变形情况，还能减少制造样品带来的材料和人力资源的浪费。
然而，由于梯度点阵结构会从体积分数最小的层开始压溃，而其余层保持相对稳定，直到该层压溃至致密化后下一层才发生压溃，压溃层的支杆会在这期间大量地发生接触，极大增加了运算量，完全压溃后，这些相互接触的变形支杆会进一步与下一层支杆继续发生接触，同时下一层支杆之间又发生相互接触，以此规律往下进行，致使仿真运算量飙升，仿真时间成本大大增加，同时结果也难以收敛。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法及系统，可以有效解决梯度点阵结构有限元仿真的运算量大、时间成本高和难以收敛的问题，使得梯度点阵结构的有限元仿真得到更广泛的应用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，包括以下步骤：
对梯度点阵结构中的每层建立独立的有限元模型，并对每个有限元模型施加相同的边界条件和位移，采集得到相应层的仿真数据；
根据各层仿真数据中的位移数据和载荷数据构建相应的载荷-位移曲线；
根据层致密化应变计算出层致密化位移，并截取层致密化位移之前的载荷-位移曲线部分为有效曲线；
将各层的有效曲线综合后得到梯度点阵结构的载荷数据和位移数据；
根据梯度点阵结构的载荷数据和位移数据构建应力-应变曲线；
根据预设应变值从应力-应变曲线中匹配应变层以及确定相应的应力值，并将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图。
进一步的，所述有限元模型施加边界条件和位移具体为：
在顶端截面施加压缩方向位移载荷；
在底端截面中心局部截面上限制所有方向的位移；
以及，底端截面的其余面限制压缩方向位移。
进一步的，所述仿真数据包括变形数据、应力与应变分布状态数据、顶端截面位移数据和载荷数据。
进一步的，所述载荷-位移曲线的构建过程具体为：
将得出的位移和载荷数据列于载荷-位移图中；
平滑连接所有数据点得到相应层的载荷-位移曲线。
进一步的，所述有效曲线的截取过程具体为：
查找出层致密化应变，再乘以层压缩方向的高度，得出层致密化位移；
层致密化应变视作等同于梯度点阵结构致密化应变。
进一步的，所述梯度点阵结构的载荷数据和位移数据获得过程具体为：
假设第a层，取适当增量，从第一次达到上一层致密化载荷的位移开始叠加，并记录位移对应的载荷，直到位移再次到达致密化位移；
用记录的载荷对应未压溃的n-a层的载荷-位移图，查找第一次到达该载荷的位移，将得出的n-a+1个位移值与a-1乘以层致密化位移的值相加，取相加的和值作为梯度点阵结构的位移，载荷作为梯度点阵结构载荷；
重复该步骤直到第n层，n为梯度点阵结构的层数，1≤a≤n。
进一步的，所述应力-应变曲线的构建过程具体为：
将梯度点阵结构的位移除以梯度点阵结构压缩方向的高度作为梯度点阵结构的应变；
梯度点阵结构的载荷除以垂直于压缩方向的表观横截面积作为梯度点阵结构的应力；
将所有数据列于应力-应变图中，平滑连接后得到仿真应力-应变曲线。
第二方面，提供了基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真系统，包括：
分层仿真模块，用于对梯度点阵结构中的每层建立独立的有限元模型，并对每个有限元模型施加相同的边界条件和位移，采集得到相应层的仿真数据；
第一曲线模块，用于根据各层仿真数据中的位移数据和载荷数据构建相应的载荷-位移曲线；
曲线截取模块，用于根据层致密化应变计算出层致密化位移，并截取层致密化位移之前的载荷-位移曲线部分为有效曲线；
曲线综合模块，用于将各层的有效曲线综合后得到梯度点阵结构的载荷数据和位移数据；
第二曲线模块，用于根据梯度点阵结构的载荷数据和位移数据构建应力-应变曲线；
叠加仿真模块，用于根据预设应变值从应力-应变曲线中匹配应变层以及确定相应的应力值，并将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，每层压溃至致密化后可以视作实心材料，压缩时每层可视作隔离体分析，以此提出分层梯度仿真；当需要查询某一应变值下的仿真情况时，只需要将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后即可得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图，无需从头至尾重新进行全面的仿真处理，仿真结果高效且易收敛，可以有效解决梯度点阵结构有限元仿真的运算量大、时间成本高和难以收敛的问题，使得梯度点阵结构的有限元仿真得到更广泛的应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中梯度点阵结构分层模型的示意图；
图2是本发明实施例中分层模型有限元仿真边界条件和位移示意图；
图3是本发明实施例中分层模型有限元仿真所得的载荷-位移曲线示意图；
图4是本发明实施例中梯度点阵结构有限元仿真的应力-应变曲线示意图；
图5是本发明实施例中应变为0.4时的梯度点阵结构的总应力-应变云图；
图6是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，具体由以下步骤实现。
步骤1：如图1所示，根据单胞将梯度点阵结构分为4层。如图2所示，然后在顶端截面施加-z方向位移载和，在底端截面中心局部截面施加xyz三个方向的位移，底端截面的其余面限制z方向位移。仿真模拟得出结果后采集：变形数据、应力与应变分布状态数据、顶端截面位移数据和载荷数据。每一层均进行采集得到与层一一对应的仿真数据。
步骤2：如图3所示，将载荷数据和位移数据列于载荷-位移图上，平滑连接得出4层的载荷-曲线。
:步骤3：根据数据库查得该梯度点阵结构的致密化应变为0.56，视其为层致密化应变，乘以层高10mm则得出层致密化位移5.6mm，截取每条曲线位移5.6mm前的部分作为有效部分，5.6mm后点阵结构视为实体，曲线视为无效部分。
步骤4：如图3所示，参照第一层载荷-位移曲线，从0开始，设定增量为0.1mm左右，开始叠加，直到层致密化位移为止，得出一系列的位移值，对应载荷-位移曲线得到相应的在载荷值，将载荷值对应未压溃的第二、三、四层的载荷-位移图，查找第一次到达该载荷的位移，比如取得位移为2mm时，第一层的载荷为2.89KN，第二层第一次到达2.89KN的位移为0.064mm，第三层为0.019m，第四层为0.019mm，取4层位移的和2.102mm为梯度点阵结构的位移，载荷2.89KN为梯度点阵结构载荷。再参照第二层载荷-位移曲线，第一层致密化位移时的载荷为2.86KN，第二层第一次到达的2.86KN的位移为0.064mm，以此位移为起点，同样以0.1mm为增量叠加，直到层致密化位移为止，同样得出一系列位移值和对应载荷，在第三、四层载荷-位移图上查找第一次到达这些载荷的位移，将二三四层的位移之和与第一层致密化位移5.6mm求和，得出梯度点阵结构的位移。以此继续往下得到三四层时的梯度点阵结构的位移和载荷。
步骤5：将梯度点阵结构位移除以梯度点阵结构压缩方向高度10mm，得出梯度点阵结构应变，梯度点阵结构载荷除以垂直于压缩方向的表观横截面积40mm×40mm，得出梯度点阵结构应力，将所有数据列于应力-应变图中，平滑连接后得到仿真应力-应变图，如图4所示。
步骤6：如图5所示，假设想了解梯度点阵结构应变为0.4时的应力分布状态和变形，则首先在应力-应变图上找到应变0.4位于第3层，确定应力值为14.26MPa，转换为载荷22.82KN，对应第三层位移3.74mm，对应第4层第一次到达该载荷的位移0.154mm，然后找到这两个位移对应的应力-应变云图以及第一二层位移为5.6mm时的应力-应变云图，贴合得到应变为0.4时梯度点阵结构的应力-应变云图和变形图，即得到表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图。
实施例2：基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真系统，如图6所示，包括分层仿真模块、第一曲线模块、曲线截取模块、曲线综合模块、第二曲线模块和叠加仿真模块。
其中，分层仿真模块，用于对梯度点阵结构中的每层建立独立的有限元模型，并对每个有限元模型施加相同的边界条件和位移，采集得到相应层的仿真数据。第一曲线模块，用于根据各层仿真数据中的位移数据和载荷数据构建相应的载荷-位移曲线。曲线截取模块，用于根据层致密化应变计算出层致密化位移，并截取层致密化位移之前的载荷-位移曲线部分为有效曲线。曲线综合模块，用于将各层的有效曲线综合后得到梯度点阵结构的载荷数据和位移数据。第二曲线模块，用于根据梯度点阵结构的载荷数据和位移数据构建应力-应变曲线。叠加仿真模块，用于根据预设应变值从应力-应变曲线中匹配应变层以及确定相应的应力值，并将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图。
工作原理：每层压溃至致密化后可以视作实心材料，压缩时每层可视作隔离体分析，以此提出分层梯度仿真；当需要查询某一应变值下的仿真情况时，只需要将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后即可得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图，无需从头至尾重新进行全面的仿真处理，仿真结果高效且易收敛，可以有效解决梯度点阵结构有限元仿真的运算量大、时间成本高和难以收敛的问题，使得梯度点阵结构的有限元仿真得到更广泛的应用。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，包括以下步骤：
对梯度点阵结构中的每层建立独立的有限元模型，并对每个有限元模型施加相同的边界条件和位移，采集得到相应层的仿真数据；
根据各层仿真数据中的位移数据和载荷数据构建相应的载荷-位移曲线；
根据层致密化应变计算出层致密化位移，并截取层致密化位移之前的载荷-位移曲线部分为有效曲线；
将各层的有效曲线综合后得到梯度点阵结构的载荷数据和位移数据；
根据梯度点阵结构的载荷数据和位移数据构建应力-应变曲线；
根据预设应变值从应力-应变曲线中匹配应变层以及确定相应的应力值，并将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图。
2.根据权利要求1所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，所述有限元模型施加边界条件和位移具体为：
在顶端截面施加压缩方向位移载荷；
在底端截面中心局部截面上限制所有方向的位移；
以及，底端截面的其余面限制压缩方向位移。
3.根据权利要求1所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，所述仿真数据包括变形数据、应力与应变分布状态数据、顶端截面位移数据和载荷数据。
4.根据权利要求1所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，所述载荷-位移曲线的构建过程具体为：
将得出的位移和载荷数据列于载荷-位移图中；
平滑连接所有数据点得到相应层的载荷-位移曲线。
5.根据权利要求1所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，所述有效曲线的截取过程具体为：
查找出层致密化应变，再乘以层压缩方向的高度，得出层致密化位移；
层致密化应变视作等同于梯度点阵结构致密化应变。
6.根据权利要求1所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，所述梯度点阵结构的载荷数据和位移数据获得过程具体为：
假设第a层，取适当增量，从第一次达到上一层致密化载荷的位移开始叠加，并记录位移对应的载荷，直到位移再次到达致密化位移；
用记录的载荷对应未压溃的n-a层的载荷-位移图，查找第一次到达该载荷的位移，将得出的n-a+1个位移值与a-1乘以层致密化位移的值相加，取相加的和值作为梯度点阵结构的位移，载荷作为梯度点阵结构载荷；
重复该步骤直到第n层，n为梯度点阵结构的层数，1≤a≤n。
7.根据权利要求1所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法，其特征是，所述应力-应变曲线的构建过程具体为：
将梯度点阵结构的位移除以梯度点阵结构压缩方向的高度作为梯度点阵结构的应变；
梯度点阵结构的载荷除以垂直于压缩方向的表观横截面积作为梯度点阵结构的应力；
将所有数据列于应力-应变图中，平滑连接后得到仿真应力-应变曲线。
8.基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真系统，其特征是，包括：
分层仿真模块，用于对梯度点阵结构中的每层建立独立的有限元模型，并对每个有限元模型施加相同的边界条件和位移，采集得到相应层的仿真数据；
第一曲线模块，用于根据各层仿真数据中的位移数据和载荷数据构建相应的载荷-位移曲线；
曲线截取模块，用于根据层致密化应变计算出层致密化位移，并截取层致密化位移之前的载荷-位移曲线部分为有效曲线；
曲线综合模块，用于将各层的有效曲线综合后得到梯度点阵结构的载荷数据和位移数据；
第二曲线模块，用于根据梯度点阵结构的载荷数据和位移数据构建应力-应变曲线；
叠加仿真模块，用于根据预设应变值从应力-应变曲线中匹配应变层以及确定相应的应力值，并将应力值转换为载荷后从各层的仿真数据中调取相应的应力-应变云图，以及将各层的应力-应变云图贴合后得到预设应变值下表征梯度点阵结构变形的总应力-应变云图。
9.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-7中任意一项所述的基于分层有限元仿真的梯度点阵结构压缩仿真方法。
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