專利名稱：多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的模型處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)，特別是高密度機箱的 結(jié)構(gòu)、電磁、熱耦合分析中多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
高密度機箱機的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中需要進行電熱多場耦合分析，傳統(tǒng)的機電熱分 離的分析方法是將參數(shù)化的模型要先轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)模型、電磁模型、熱分析的模型，在直接 進入相應(yīng)的分析軟件，進行各自的分析，得到相互獨立的分析結(jié)果，三個分析學(xué)科之間沒有 任何信息傳遞。進行多場耦合分析時，需要在各個物理場之間傳遞耦合信息。最常見的是將結(jié)構(gòu) 變形傳遞到溫度分析模塊和電磁分析模塊中。盡管三個學(xué)科所依據(jù)的物理定律不同，但現(xiàn) 代的數(shù)值分析方法均是在離散化網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進行的，如果能將三個物理場的離散網(wǎng)格統(tǒng) 一，就可以方便的實現(xiàn)耦合信息的傳遞。但是實際上，結(jié)構(gòu)分析多使用有限元方法，電磁分 析中有限元、時域有限差分、矩量法都是常用方法，溫度分析中多使用有限容積法。三個物 理場不但分析方法不同，網(wǎng)格形式也不同。結(jié)構(gòu)上單元類型多樣，網(wǎng)格形式各不相同，三角 形、四邊形、四面體、六面體等形式都較為常見；電磁分析中有限元法和矩量法一般是四面 體和三角形，而時域有限差分法使用六面體和四邊形網(wǎng)格；溫度分析中常用六面體網(wǎng)格。因 而，廣泛意義上的統(tǒng)一三個物理場的網(wǎng)格是十分困難的事情。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種當(dāng)確定了每個物理場使用的具體算法甚至分析軟件時， 通過一套離散網(wǎng)格傳遞變形信息實現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是 它通過如下步驟完成
1)首先將參數(shù)化CAD實體模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模型中進行結(jié)構(gòu)分析；
2)在結(jié)構(gòu)分析完成后，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；
3)將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件輸入到熱分析網(wǎng)格和電磁分析網(wǎng)格進行熱和電磁分析。所述的結(jié)構(gòu)分析模型中進行結(jié)構(gòu)分析，需要提取結(jié)構(gòu)分析模型中的板殼表面網(wǎng)格 及三角化處理和實體單元表面網(wǎng)格及三角化處理，需要按照結(jié)構(gòu)分析模型的單元類型進行 分類處理，對分類的二維的面單元，判斷是否是三角形單元，是，則直接提取單元信息，輸出 含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；不是，先進行三角化處理，后直接 提取單元信息，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；對分類的三 維的實體單元，則需要先將實體化單元平面化，去除內(nèi)部單元，提取外表面單元，然后對外 表面單元使用二維面單元的處理過程；最后將處理后的單元重新組合編號，寫成FEKO和 ICEPAK能夠識別的文件格式。所述的提取板殼表面網(wǎng)格及進行三角化處理流程步驟是，首先通過步驟301判斷是否存在板殼單元，如果不存在，則進入退出步驟305，不需提取表面網(wǎng)格；如果存在，進入 步驟302，選擇需要提取的板殼面；之后進入步驟303，取板殼面數(shù)Nb，使I=I (I是一個計 數(shù)器，所有板殼單元都處理完后即I=Nb時，完成處理)，進入步驟304，判斷計數(shù)器是否等于 Nb，即判斷是否所有板殼單元都處理完畢，是則進入步驟305，結(jié)束板殼單元網(wǎng)格提取流程。 否則進入步驟306，提取第I個板殼單元，進入步驟307，判斷第I個單元是否為四邊形單 元，是則進行步驟308，開始三角化處理，然后進行步驟310輸出處理后的單元結(jié)點信息，之 后進入步驟311將計數(shù)器加1，回到步驟304 ；否則進入步驟309，輸出單元結(jié)點信息。然后 進入步驟311將計數(shù)器加1，回到步驟304。所述的提取實體單元表面網(wǎng)格及三角化處理流程步驟是首先通過步驟401判斷 是否存在實體單元，如果不存在，則進入退出步驟405，不需提取表面網(wǎng)格；如果存在，進入 步驟402，選擇需要提取的實體單元；之后進入步驟403，取實體單元數(shù)Nt，使I=I (I是一 個計數(shù)器，所有板殼單元都處理完后即I=Nt時，完成處理)，進入步驟404，判斷計數(shù)器是否 等于Nt，即判斷是否所有實體單元都處理完畢，是則進入步驟405，結(jié)束實體單元網(wǎng)格提取 流程；否則進入步驟406，提取第I個實體單元，進入步驟407，提取該實體單元的外表面數(shù) Ns，進入步驟408，計數(shù)器J=I，判斷第J是否為該實體單元外表面數(shù)，是則計數(shù)器1+1，進行 步驟404。否則進入步驟409，選擇J表面的所有單元結(jié)點，進入步驟410對J表面的單元 結(jié)點進行排列重組，然后進入步驟411輸出單元結(jié)點信息；然后將計數(shù)器J加1，回到步驟 407，判斷是否需要處理第1+1個單元。所述提取外表面單元的流程是，首先進行步驟501取實體單元信息；然后進行步 驟502對每一個體單元，取它的面信息；接著進行步驟503，判斷每一個面是否只存在于一 個實體單元上，如果不是，執(zhí)行步驟505，則表明該面是單元的外表面，保存該面單元，然后 執(zhí)行步驟506判斷下一個實體單元；如果是，執(zhí)行步驟504，則表明該面是單元的內(nèi)表面，直 接刪除，然后執(zhí)行步驟506判斷下一個實體單元。這樣處理完全部的體單元，即可得到一個 實體結(jié)構(gòu)的外表面單元信息。所述的其中三角化處理中存在四邊形面單元，要把一個四邊形分成兩個三角形， 兩個三角形不能交疊。所述的電磁分析需要根據(jù)頻率細化網(wǎng)格。所述的溫度分析要在導(dǎo)入三角面片的基礎(chǔ)上繼續(xù)劃分六面體網(wǎng)格，并且對空氣也 需要劃分網(wǎng)格；最后設(shè)置材料屬性，邊界條件和各種激勵即可開始分析計算。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明首先建立機箱結(jié)構(gòu)的參數(shù)化CAD模型，進行結(jié)構(gòu)有限元 分析；其次，在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，將變形的機箱模型傳遞到溫度分析軟件，先進行溫度分 析，根據(jù)溫度分析結(jié)果確定場耦合模型中的電磁器件功率，同時確定導(dǎo)電橡膠的電參數(shù)，再 將結(jié)構(gòu)變形傳遞到電磁分析軟件，進行電磁分析，最后得到三個物理場的分析結(jié)果。因此， 本發(fā)明與傳統(tǒng)分析的最大差別是1、變形的結(jié)構(gòu)信息進入電磁和溫度分析；2、導(dǎo)電橡膠的 電參數(shù)進入電磁分析；3、溫度對器件的影響進入電磁分析。同時，耦合分析中三個學(xué)科使用 了一個網(wǎng)格模型，相對于傳統(tǒng)分析的三個模型，大大減少。


下面結(jié)合實施例附圖對本發(fā)明作進一步說明圖1是結(jié)構(gòu)位移場信息傳遞總體流程圖； 圖2是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格提取的總體流程圖； 圖3是板殼單元網(wǎng)格傳遞流程； 圖4是實體單元網(wǎng)格傳遞流程； 圖5是實體表面網(wǎng)格提取及三角化； 圖6是三角化網(wǎng)格處理； 圖7是機箱網(wǎng)格轉(zhuǎn)換結(jié)果。
具體實施例方式在進行結(jié)構(gòu)有限元分析時，機箱結(jié)構(gòu)常采用的單元類型是板單元、板殼單元和體 單元。板殼單元主要有三角形板殼單元和四邊形板殼單元，體單元則主要有四面體單元和 六面體單元。公開的FEKO軟件和ICEPAK軟件都能夠?qū)胍匀切蚊嫫唇拥哪Ｐ?，將?角面片封閉的幾何體認作實體，在此基礎(chǔ)上劃分各自的網(wǎng)格，進而完成分析計算。因此，提 取結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的外表面上的變形結(jié)點坐標和單元信息，并將單元重組形成三角片，再分別 寫成FEKO軟件和ICEPAK軟件能夠識別的網(wǎng)格文件格式，即可將結(jié)構(gòu)變形信息傳遞到電磁 分析和溫度分析中，實現(xiàn)多場耦合分析。多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，如圖1所示，通過如下步驟完成
1)首先將參數(shù)化CAD實體模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模型中進行結(jié)構(gòu)分析；
2)在結(jié)構(gòu)分析完成后，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；
3)將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件輸入到熱分析網(wǎng)格和電磁分析網(wǎng)格進行熱和電磁分析。如圖2所示，對結(jié)構(gòu)分析模型進行結(jié)構(gòu)分析，需要提取結(jié)構(gòu)分析模型中的板殼表 面網(wǎng)格及三角化處理和實體單元表面網(wǎng)格及三角化處理，這一過程需要按照結(jié)構(gòu)分析模型 的單元類型進行分類處理，對分類的二維的面單元(板或殼單元)，判斷是否是三角形單 元，是，則直接提取單元信息，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件。 不是，先進行三角化處理，后直接提取單元信息，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信 息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件。對分類的三維的實體單元，則需要先將實體化單元平面化，去除內(nèi)部單元，提取外 表面單元，然后對外表面單元使用二維面單元的處理過程。最后將處理后的單元重新組合 編號，寫成FEKO和ICEPAK能夠識別的文件格式。提取板殼表面網(wǎng)格及進行三角化處理流程步驟如圖3所示，首先通過步驟301判 斷是否存在板殼單元，如果不存在，則進入退出步驟305，不需提取表面網(wǎng)格；如果存在，進 入步驟302，選擇需要提取的板殼面；之后進入步驟303，取板殼面數(shù)Nb，使I=I (I是一個 計數(shù)器，所有板殼單元都處理完后即I=Nb時，完成處理)，進入步驟304，判斷計數(shù)器是否等 于Nb，即判斷是否所有板殼單元都處理完畢，是則進入步驟305，結(jié)束板殼單元網(wǎng)格提取流 程。否則進入步驟306，提取第I個板殼單元，進入步驟307，判斷第I個單元是否為四邊形 單元，是則進行步驟308，開始三角化處理，然后進行步驟310輸出處理后的單元結(jié)點信息， 之后進入步驟311將計數(shù)器加1，回到步驟304。否則進入步驟309，輸出單元結(jié)點信息。然 后進入步驟311將計數(shù)器加1，回到步驟304。提取實體單元表面網(wǎng)格及三角化處理流程步驟如圖4所示，首先通過步驟401判斷是否存在實體單元，如果不存在，則進入退出步驟405，不需提取表面網(wǎng)格；如果存在，進 入步驟402，選擇需要提取的實體單元；之后進入步驟403，取實體單元數(shù)Nt，使I=I (I是 一個計數(shù)器，所有板殼單元都處理完后即I=Nt時，完成處理)，進入步驟404，判斷計數(shù)器是 否等于Nt，即判斷是否所有實體單元都處理完畢，是則進入步驟405，結(jié)束實體單元網(wǎng)格提 取流程。否則進入步驟406，提取第I個實體單元，進入步驟407，提取該實體單元的外表面 數(shù)Ns，進入步驟408，計數(shù)器J=I，判斷第J是否為該實體單元外表面數(shù)，是則計數(shù)器1+1，進 行步驟404。否則進入步驟409，選擇J表面的所有單元結(jié)點，進入步驟410對J表面的單 元結(jié)點進行排列重組，然后進入步驟411輸出單元結(jié)點信息。然后將計數(shù)器J加1，回到步 驟407，判斷是否需要處理第1+1個單元。其中，提取外表面單元的流程如圖5所示，首先進行步驟501取實體單元信息；然 后進行步驟502對每一個體單元，取它的面信息；接著進行步驟503，判斷每一個面是否只 存在于一個實體單元上(如四面體單元有4個面，六面體單元有6個面)，如果不是，執(zhí)行步 驟505，則表明該面是單元的外表面，保存該面單元，然后執(zhí)行步驟506判斷下一個實體單 元。；如果是，執(zhí)行步驟504，則表明該面是單元的內(nèi)表面，直接刪除，然后執(zhí)行步驟506判斷 下一個實體單元。這樣處理完全部的體單元，即可得到一個實體結(jié)構(gòu)的外表面單元信息。其中，三角化處理的具體流程如圖6所示，對于面單元(板殼單元)，若面單元為 三角形面單元，則直接提??；若面單元上存在四邊形面單元，要把一個四邊形分成兩個三角 形。此時應(yīng)注意分成的兩個三角形不能交疊。如圖6所示，四邊形網(wǎng)格的四個結(jié)點1、2、3、 4，圖6(b)將這個四邊形分成兩個三角形，可以是3、1點連線剖分，也可以2、4點連線剖分。圖6 (d)、圖6 (e)是按3、1點連線剖分和2、4點連線剖分得到的兩個三角形網(wǎng)格的 一部分。圖6 (C)這種剖分方式不但相互交疊而且還有面積丟失，是錯誤的處理方法。機箱的單元和結(jié)點處理完后，按照不同軟件要求的格式，寫成相應(yīng)的模型文件，導(dǎo) 入分析軟件中，即完成變形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。為了驗證上述網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法的有效性，以某高密度電子設(shè)備機箱為例，檢驗該方 法。如圖7(a、b、c)所示。在導(dǎo)入電磁和溫度分析軟件后，根據(jù)各自學(xué)科的分析要求，在此 基礎(chǔ)上進一步劃分各自的分析網(wǎng)格，例如電磁分析需要根據(jù)頻率細化網(wǎng)格，溫度分析則要 在導(dǎo)入三角面片的基礎(chǔ)上繼續(xù)劃分六面體網(wǎng)格，并且空氣也需要劃分網(wǎng)格。最后設(shè)置材料 屬性，邊界條件和各種激勵即可開始分析計算。這方面的技術(shù)由于是已有的技術(shù)，本發(fā)明說 明書中不過多說明，關(guān)心者可參考更專業(yè)的技術(shù)資料。圖7中的圖7a圖7b、圖7c是為了對 本發(fā)明進行說明而引入示意圖，并不代表本發(fā)明的實體，只作參考使用。當(dāng)然，在導(dǎo)入網(wǎng)格的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格，相對于直接建模劃分網(wǎng)格，由于考慮更多的 變形信息，必然存在網(wǎng)格質(zhì)量較差，或者網(wǎng)格數(shù)量較多等問題，這是耦合分析帶來的不足。
權(quán)利要求
1.多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是它通過如下步驟完成1)首先將參數(shù)化CAD實體模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模型中進行結(jié)構(gòu)分析；2)在結(jié)構(gòu)分析完成后，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；3)將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件輸入到熱分析網(wǎng)格和電磁分析網(wǎng)格進行熱和電磁分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述的 對結(jié)構(gòu)分析模型進行結(jié)構(gòu)分析，需要提取結(jié)構(gòu)分析模型中的板殼表面網(wǎng)格及三角化處理和 實體單元表面網(wǎng)格及三角化處理，需要按照結(jié)構(gòu)分析模型的單元類型進行分類處理，對分 類的二維的面單元，判斷是否是三角形單元，是，則直接提取單元信息，輸出含有全部結(jié)點 的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；不是，先進行三角化處理，后直接提取單元信息， 輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；對分類的三維的實體單元，則 需要先將實體化單元平面化，去除內(nèi)部單元，提取外表面單元，然后對外表面單元使用二維 面單元的處理過程；最后將處理后的單元重新組合編號，寫成FEKO和ICEPAK能夠識別的文 件格式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述的 提取結(jié)構(gòu)分析模型中的板殼表面網(wǎng)格及三角化處理流程步驟是，首先通過步驟301判斷是 否存在板殼單元，如果不存在，則進入退出步驟305，不需提取表面網(wǎng)格；如果存在，進入步 驟302，選擇需要提取的板殼面；之后進入步驟303，取板殼面數(shù)Nb，使I=I (I是一個計數(shù) 器，所有板殼單元都處理完后即I=Nb時，完成處理)，進入步驟304，判斷計數(shù)器是否等于 Nb，即判斷是否所有板殼單元都處理完畢，是則進入步驟305，結(jié)束板殼單元網(wǎng)格提取流程； 否則進入步驟306，提取第I個板殼單元，進入步驟307，判斷第I個單元是否為四邊形單 元，是則進行步驟308，開始三角化處理，然后進行步驟310輸出處理后的單元結(jié)點信息，之 后進入步驟311將計數(shù)器加1，回到步驟304 ；否則進入步驟309，輸出單元結(jié)點信息；然后 進入步驟311將計數(shù)器加1，回到步驟304。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述的 提取實體單元表面網(wǎng)格及三角化處理流程步驟是首先通過步驟401判斷是否存在實體單 元，如果不存在，則進入退出步驟405，不需提取表面網(wǎng)格；如果存在，進入步驟402，選擇需 要提取的實體單元；之后進入步驟403，取實體單元數(shù)Nt，使I=I (I是一個計數(shù)器，所有板 殼單元都處理完后即I=Nt時，完成處理)，進入步驟404，判斷計數(shù)器是否等于Nt，即判斷是 否所有實體單元都處理完畢，是則進入步驟405，結(jié)束實體單元網(wǎng)格提取流程；否則進入步 驟406，提取第I個實體單元，進入步驟407，提取該實體單元的外表面數(shù)Ns，進入步驟408， 計數(shù)器J=l，判斷第J是否為該實體單元外表面數(shù)，是則計數(shù)器1+1，進行步驟404 ；否則進 入步驟409，選擇J表面的所有單元結(jié)點，進入步驟410對J表面的單元結(jié)點進行排列重組， 然后進入步驟411輸出單元結(jié)點信息；然后將計數(shù)器J加1，回到步驟407，判斷是否需要處 理第1+1個單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述提 取外表面單元的流程是，首先進行步驟501取實體單元信息；然后進行步驟502對每一個體 單元，取它的面信息；接著進行步驟503，判斷每一個面是否只存在于一個實體單元上，如 果不是，執(zhí)行步驟505，則表明該面是單元的外表面，保存該面單元，然后執(zhí)行步驟506判斷 下一個實體單元；如果是，執(zhí)行步驟504，則表明該面是單元的內(nèi)表面，直接刪除，然后執(zhí)行步驟506判斷下一個實體單元；這樣處理完全部的體單元，即可得到一個實體結(jié)構(gòu)的外表面單元信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述的 其中三角化處理中存在四邊形面單元，要把一個四邊形分成兩個三角形，兩個三角形不能交疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述的 電磁分析需要根據(jù)頻率細化網(wǎng)格。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是所述的 溫度分析要在導(dǎo)入三角面片的基礎(chǔ)上繼續(xù)劃分六面體網(wǎng)格，并且對空氣也需要劃分網(wǎng)格； 最后設(shè)置材料屬性，邊界條件和各種激勵即可開始分析計算。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的模型處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)，特別是高密度機箱的結(jié)構(gòu)、電磁、熱耦合分析中多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法，其方法特征是它通過如下步驟完成1)首先將參數(shù)化CAD實體模型導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模型中進行結(jié)構(gòu)分析；2)在結(jié)構(gòu)分析完成后，輸出含有全部結(jié)點的坐標、位移和單元信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件；3)將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件輸入到熱分析網(wǎng)格和電磁分析網(wǎng)格進行熱和電磁分析。它提供了一種當(dāng)確定了每個物理場使用的具體算法甚至分析軟件時，通過一套離散網(wǎng)格傳遞變形信息實現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換方法。
文檔編號G06F17/50GK102063532SQ201010604628
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者張卓, 徐達人, 曾巍, 李鵬, 杜敏, 段寶巖, 羅先義, 胡凱博, 馬伯淵 申請人:西安電子科技大學(xué)