CN116776678A - 一种基于混合单元的结构应力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了结构应力评估技术领域的一种基于混合单元的结构应力计算方法，包括通过三维建模软件建立复杂焊接构件的几何模型；将几何模型导入到网格划分软件中，并对几何模型进行简化；利用网格划分软件对焊缝附近所需要关注的焊趾或焊根部位进行实体切分；对几何模型进行网格划分；将划分好的网格单元导入到有限元计算软件中，使用节点力方法对所关注位置的结构应力进行提取；该发明不仅适用于小构件，也适用于大型复杂构件；实现了焊接构件结构应力计算效率的提高，具有测量精度可以保证、可实现复杂大型结构的建模、过程简单易操作、网格划分耗时短的优点。
Description
技术领域
本发明涉及结构应力评估技术领域，具体为一种基于混合单元的结构应力计算方法。
背景技术
结构应力法是评估焊接构件疲劳寿命的一种常见方法，在结构应力的计算过程中需要对关注部位进行节点力提取并利用公式计算。目前采用的方法是将构件使用六面体网格进行划分，建立单元和节点集合，提取后利用公式进行计算。六面体网格在复杂结构件中难以划分，尤其在大型结构中，费时费力。
在AMSE FFS-1等标准中描述了基于有限元分析的网格不敏感性结构应力法，现有的计算结构应力的方法是对焊接构件进行六面网格划分，建立单元和节点的集合，对依附单元的相关节点进行节点力的提取，并通过节点力累计公式进行计算。利用六面体网格计算结构应力的方法虽然具有可操作性，但比较耗时，小型结构计算尚可，对于大型构件将成倍增加工作量。
基于此，本发明设计了一种基于混合单元的结构应力计算方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混合单元的结构应力计算方法，提出的混合单元网格划分方法可以在保证节点力正确提取的基础上节省大量的划分网格时间。本方法可用于大型复杂焊接构件的结构应力计算，是一种混合单元网格划分方法，在保证计算准确的同时节省计算时间。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于混合单元的结构应力计算方法，包括如下步骤：
S1：通过三维建模软件建立复杂焊接构件的几何模型；
S2：将几何模型导入到网格划分软件中，并对几何模型进行简化；
S3：利用网格划分软件对焊缝附近所需要关注的焊趾或焊根部位进行实体切分，对其余部位进行过渡区域划分，得到过渡区域及其它复杂区域；
S4：对焊缝附近所关注的焊趾或焊根部位的实体进行全六面体网格划分，对过渡区域采用四面体或金字塔形五面体网格划分，对其余复杂部位采用四面体网格划分；
S5：将划分好的网格单元导入到有限元计算软件中，在有限元软件中对所关注位置的六面体单元提取节点力，并使用节点力方法对所关注位置的结构应力进行提取。
优选的，在步骤S3中，对构件进行网格划分顺序，对焊缝附近所关注位置的节点力进行提取，进而获得所关注位置的结构应力，以此预测构件的疲劳寿命。
优选的，在步骤S3中，划分网格时需要对关注部位先进行划分，然后再划分焊缝位置、过渡位置以及其余位置。
优选的，在步骤S4中，与关注部位相连的位置的网格与关注部位相重合。
优选的，在步骤S4中，首先对关注部位进行二维四边形网格划分，网格大小为1mm，然后用网格划分软件对关注部位进行厚度方向六面体网格划分，厚度方向的数量为3，然后选中焊缝部位和其余位置，网格尺寸选择4mm，利用网格划分软件的四面体模块对其它位置进行四面体网格划分，最终得到混合单元的整体结构。
优选的，在步骤S4中，在过渡位置网格划分软件会自动划分为金字塔五面体单元。
优选的，在步骤S5中，六面体网格选择的单元类型为C3D20，金字塔形五面体网格选择的单元类型为C3D20，四面体网格的单元类型为C3D10。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了复杂构件中六面体网格划分困难的问题，解决大型构件中网格划分耗时久的问题；本发明提出了基于混合单元的结构应力计算方法，利用网格划分软件对焊接构件中关注部位进行六面体网格划分，对过渡部位进行四面体或五面体网格划分，对非关注部位进行四面体网格的划分，并利用有限元软件进行节点力提取，获得焊接构件所关注部位的结构应力。该发明不仅适用于小构件，也适用于大型复杂构件。
本发明通过对网格划分方法进行改进，实现了焊接构件结构应力计算效率的提高，具有测量精度可以保证、可实现复杂大型结构的建模、过程简单易操作、网格划分耗时短的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明混合单元网格划分流程及结构应力提取方法示意图；
图2为本发明网格划分顺序及结果示意图；
图3为本发明网格划分顺序及提取路径示意图；
图4为本发明结构应力计算结果对比示意图。
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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于混合单元的结构应力计算方法，包括如下步骤：
S1：通过三维建模软件建立复杂焊接构件的几何模型；
S2：将几何模型导入到网格划分软件中，并对几何模型进行简化；
S3：利用网格划分软件对焊缝附近所需要关注的焊趾或焊根部位进行实体切分，对其余部位进行过渡区域划分，得到过渡区域及其它复杂区域；
S4：对焊缝附近所关注的焊趾或焊根部位的实体进行全六面体网格划分，对过渡区域采用四面体或金字塔形五面体网格划分，对其余复杂部位采用四面体网格划分；
S5：将划分好的网格单元导入到有限元计算软件中，六面体网格选择的单元类型为C3D20，金字塔形五面体网格选择的单元类型为C3D20，四面体网格的单元类型为C3D10；在有限元软件中对所关注位置的六面体单元提取节点力，并使用节点力方法对所关注位置的结构应力进行提取。
其中，在步骤S3中，网格划分顺序：在结构应力法中，需要对焊缝附近所关注位置的节点力进行提取，进而获得所关注位置的结构应力，以此预测构件的疲劳寿命。图2为经典的T型焊接接头，将以此为例，说明构件的网格划分顺序。图2中①为焊缝位置，在结构应力法中所关注部位②为焊趾部位即图2中②部分，因此划分网格时需要对关注部位②部分先进行划分，然后再划分焊缝位置①、过渡位置③、其余位置④部分。其他相同的焊接结构也是相同的原理，先划分所关注的焊趾部位，再划分焊缝及其他部位。值得注意的是，与关注部位相连的位置的网格与关注部位相重合，保证了整体结构的刚度。
在步骤S4中，网格划分过程：在确定好网格划分顺序后，需要对焊接结构进行网格划分。T型焊接接头的网格划分流程如图3所示。首先对关注部位进行二维四边形网格划分，网格大小为1mm，然后用网格划分软件对关注部位进行厚度方向六面体网格划分，厚度方向的数量为3，然后选中焊缝部位和其余位置，网格尺寸选择4mm，利用网格划分软件的四面体模块对其它位置进行四面体网格划分，最终得到混合单元的整体结构。值得注意的是，在过渡位置网格划分软件会自动划分为金字塔五面体单元。此种划分方法可以保证连接位置的网格重合，在保证计算精度的同时节省了非关键位置网格划分时间，提高了效率。
在步骤S5中，结构应力计算结果对比：混合单元与六面体单元计算结果如图4所示。结构应力提取方向如图3中所示，焊趾开裂方向为沿板厚开裂，从图4中可以看出二者的计算结果重合度非常高，结构应力最大值误差在1％以内。因此混合单元提取结构应力的方法不仅可以保证计算精度，还可以节省网格划分的时间，提高效率。
本次发明通过对网格划分方法进行改进，实现了焊接构件结构应力计算效率的提高，优点是：(1)测量精度可以保证；(2)可实现复杂大型结构的建模；(3)过程简单易操作；(4)网格划分耗时短。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过三维建模软件建立复杂焊接构件的几何模型；
S2：将几何模型导入到网格划分软件中，并对几何模型进行简化；
S3：利用网格划分软件对焊缝附近所需要关注的焊趾或焊根部位进行实体切分，对其余部位进行过渡区域划分，得到过渡区域及其它复杂区域；
S4：对焊缝附近所关注的焊趾或焊根部位的实体进行全六面体网格划分，对过渡区域采用四面体或金字塔形五面体网格划分，对其余复杂部位采用四面体网格划分；
S5：将划分好的网格单元导入到有限元计算软件中，在有限元软件中对所关注位置的六面体单元提取节点力，并使用节点力方法对所关注位置的结构应力进行提取。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于：在步骤S3中，对构件进行网格划分顺序，对焊缝附近所关注位置的节点力进行提取，进而获得所关注位置的结构应力，以此预测构件的疲劳寿命。
3.根据权利要求2所述的一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于：在步骤S3中，划分网格时需要对关注部位先进行划分，然后再划分焊缝位置、过渡位置以及其余位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于：在步骤S4中，与关注部位相连的位置的网格与关注部位相重合。
5.根据权利要求1所述的一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于：在步骤S4中，首先对关注部位进行二维四边形网格划分，网格大小为1mm，然后用网格划分软件对关注部位进行厚度方向六面体网格划分，厚度方向的数量为3，然后选中焊缝部位和其余位置，网格尺寸选择4mm，利用网格划分软件的四面体模块对其它位置进行四面体网格划分，最终得到混合单元的整体结构。
6.根据权利要求5所述的一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于：在步骤S4中，在过渡位置网格划分软件会自动划分为金字塔五面体单元。
7.根据权利要求1所述的一种基于混合单元的结构应力计算方法，其特征在于：在步骤S5中，六面体网格选择的单元类型为C3D20，金字塔形五面体网格选择的单元类型为C3D20，四面体网格的单元类型为C3D10。
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