專利名稱：一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，屬于航空推進技術(shù)領(lǐng)域。
(ニ)
背景技術(shù)：
蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)是由兩層薄而強的面板材料，中間夾ー層厚而輕的蜂窩芯組成，這類材料的最大特點是質(zhì)輕，比強度高，比剛度高，上世紀五、六十年代，高性能的蜂窩制造技術(shù)已經(jīng)成熟，蜂窩結(jié)構(gòu)被普遍地應用于飛機、航空以及航天工業(yè)。與傳統(tǒng)材料相比，蜂窩蒙皮材料具有低密度、低熱導率、高比剛度、高比強度、壓縮應變大、良好的能量吸收特性、高可設(shè)計性等優(yōu)點，是適用于航空航天領(lǐng)域的ー種重要的復合材料。目前對蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)進行強度分析通常采用等效法或?qū)嶒灧ā５刃Хú捎媒Y(jié)構(gòu)均勻化理論，可推導出蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的等效彈性參數(shù)，其缺點在于對應力集中導致的復雜應力和應變的影響，很難進行分析。實驗法只可以得到蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)材料特性的經(jīng)驗值，難以 建立蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準。顯然，傳統(tǒng)的等效法和實驗法難以滿足蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)力學特性的分析需要，故對蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的力學特性分析應傾向于使用有限元法。然而使用有限元法對蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)進行力學特性分析的難點在于蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)，尤其是具有復雜切割邊界的異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)，難以建立有限元模型，使用現(xiàn)有的有限元前處理軟件對蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)進行有限元建模只能采用手動方式，這將耗費很多時間和資源，而對于ー些大型結(jié)構(gòu)，手動建模甚至是不可能實現(xiàn)的。因此，需要發(fā)展和新設(shè)計ー種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，實現(xiàn)異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的快速劃分，以滿足工程需要。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，它解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)了異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的快速劃分，滿足了工程的需要。2、技術(shù)方案本發(fā)明g在生成異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格，該結(jié)構(gòu)的夾芯蜂窩采用六邊形蜂窩形式，邊界處切割成型，蜂窩與蜂窩之間通過粘接方式相連接，存在ー個粘接方向，且在粘接方向上存在蜂窩間的粘接厚度；為獲得不同的結(jié)構(gòu)力學特性，蜂窩結(jié)構(gòu)可沿任意方向排布。本發(fā)明ー種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元建模方法的基本思想是首先，提取異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的一個橫截面，井根據(jù)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的幾何特性在該截面上進行線單元的劃分，以線單元為基礎(chǔ)，利用厚度方向插值的方法生成夾芯蜂窩結(jié)構(gòu)的殼單元；然后，根據(jù)線單元的劃分情況生成蒙皮結(jié)構(gòu)的殼單元；最后，將蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)有限元模型信息輸出為可被通用有限元處理軟件讀取的文件。本發(fā)明ー種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其具體步驟如下步驟ー建立異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型；首先，根據(jù)給定的異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的邊界特性，選擇ー個垂直于蜂窩縱向方向的截面，建立該異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型，本發(fā)明中，蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)截面的幾何模型建立在笛卡爾坐標系的χ-y面上，蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的厚度方向位于z軸方向；然后，將截面幾何模型劃分成多個形狀規(guī)則的四邊形分區(qū)，本發(fā)明中，需進行多次點位于平面幾何模型區(qū)域內(nèi)的判斷，以及蜂窩結(jié)構(gòu)厚度方向的插值計算，這兩種計算都基于四邊形平面幾何區(qū)域，故需根據(jù)模型實際情況對截面進行適當劃分；最后，由于本發(fā)明根據(jù)六邊形蜂窩的幾何特性進行有限元建模，本方法假設(shè)蜂窩粘接方向位于y軸方向，故若需要蜂窩粘接方向位于其它方向，要將蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型在坐標系中旋轉(zhuǎn)相應角度，待建模完成后，再將有限元模型旋轉(zhuǎn)回原角度，其中，以一點Pci(Xt)，yo)為旋轉(zhuǎn)中心點，將點P(x，y)逆時針旋轉(zhuǎn)θ角得到點Pt(xt，yt)的坐標值
的運算用矩陣表示為
權(quán)利要求
1. 一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一建立異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型； 首先，根據(jù)給定的異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的邊界特性，選擇一個垂直于蜂窩縱向方向的截面，建立該異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型，蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)截面的幾何模型建立在笛卡爾坐標系的x-y面上，蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的厚度方向位于Z軸方向； 然后，將截面幾何模型劃分成多個形狀規(guī)則的四邊形分區(qū)，這里需進行多次點位于平面幾何模型區(qū)域內(nèi)的判斷，以及蜂窩結(jié)構(gòu)厚度方向的插值計算，這兩種計算都基于四邊形平面幾何區(qū)域，故根據(jù)模型實際情況對截面進行劃分； 最后，根據(jù)六邊形蜂窩的幾何特性進行有限元建模，假設(shè)蜂窩粘接方向位于I軸方向，若需要蜂窩粘接方向位于其它方向，要將蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的截面幾何模型在坐標系中旋轉(zhuǎn)相應角度，待建模完成后，再將有限元模型旋轉(zhuǎn)回原角度，其中，以一點PoUo，Yo)為旋轉(zhuǎn)中心點，將點P(x，y)逆時針旋轉(zhuǎn)Θ角得到點Pt(xt，yt)的坐標值的運算用矩陣表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于步驟六中所述的對蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點進行處理的方法，具體實施步驟如下 步驟一找出該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，即該蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點信息矩陣NInf中第三列元素值大于零的行數(shù)，記作nin ； 步驟二 判斷nin是否等于6nd,若nin = 6nd,說明該蜂窩結(jié)構(gòu)是一個完整的域內(nèi)蜂窩，直接執(zhí)行步驟十三，若nin辛6nd，則說明蜂窩結(jié)構(gòu)被截面幾何模型邊界截斷，失去了完整性，執(zhí)行步驟三； 步驟三對此蜂窩結(jié)構(gòu)的節(jié)點進行排序；使此蜂窩的節(jié)點信息矩陣NInf中從上到下的各行所代表的節(jié)點在蜂窩結(jié)構(gòu)中成逆時針順序排列，并且，矩陣NInf中的第一行代表按逆時針順序排列的截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的第一點；將矩陣NInf的第一行挪至最后一行，其余各行分別向上移一行，這種操作進行數(shù)次直至矩陣NInf符合本步驟的要求； 步驟四將矩陣NInf的最后一行的信息儲存在一個行向量pend中，顯然,pend表不按逆時針順序?qū)⒁M入截面幾何模型區(qū)域的節(jié)點信息； 步驟五規(guī)定一個誤差范圍herr ； 步驟六處理該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)按逆時針順序排列的最后一個節(jié)點處； 首先，將截面幾何模型區(qū)域內(nèi)最后一個節(jié)點記作P1即對應矩陣NInf的第nin行，P1的下一個節(jié)點記作P2即對應矩陣NInf的第nin+Ι行，求得P1和P2連線與截面幾何模型邊界 的交點Pinl ； 然后，考察P1與Pinl之間的距離，若距離大于herr，則將區(qū)域外的節(jié)點移到截面幾何模型邊界上，即將點Pinl的坐標值賦給矩陣NInf的第nin+Ι行的第四列和第五列，同時，矩陣NInf的第nin+Ι行所代表的節(jié)點的屬性改為“不位于蜂窩角點”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”，即將矩陣NInf的第nin+Ι行的第二列元素值改為O，第三列元素值改為I ; 若Pl與Pinl之間的距離小于或等于herr，考慮nin為I的情況，這說明這個蜂窩只有一個節(jié)點在區(qū)域內(nèi)，且界內(nèi)點P1與交點Pinl的距離在誤差范圍之內(nèi)，則將這個蜂窩舍棄，返回到權(quán)利要求I中的步驟十二，若nin不為1，則將區(qū)域內(nèi)最后一個節(jié)點移到截面幾何模型邊界上，即將點Pinl的坐標值賦給矩陣NInf的第nin行的第四列和第五列，同時，矩陣NInf的第nin行所代表的節(jié)點的屬性改為“不位于蜂窩角點”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”，即將矩陣NInf的第nin行的第二列元素值改為O，第三列元素值改為I ; 步驟七找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù)，并重新賦給nin，這表示這個蜂窩經(jīng)過以上步驟的操作，該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點個數(shù)nin進行了更新； 步驟八處理該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)按逆時針順序排列的第一個節(jié)點處； 首先，將行向量pend所記錄的節(jié)點記作P1，將截面幾何模型區(qū)域內(nèi)第一點記作己，求得蜂窩結(jié)構(gòu)與截面幾何模型邊界的交點為Pin2 ； 然后，考察P2與Pin2之間的距離，若距離大于herr，考慮nin等于矩陣NInf的行數(shù)的情況，此時該蜂窩經(jīng)過步驟六的操作所有節(jié)點都變?yōu)橛騼?nèi)點，需要在矩陣NInf的最后添加一行，即增加第6nd+l個節(jié)點，這一行的內(nèi)容可暫時復制矩陣NInf的最后一行的內(nèi)容，若nin不等于矩陣NInf的行數(shù)，則不需要做增加行的操作； 將矩陣NInf的最后一行挪到第一行，其余各行分別向后移一行，將此時矩陣NInf的第一行代表域內(nèi)第一個節(jié)點的信息，將Pin2的坐標值賦給矩陣NInf第一行的第四列和第五列，同時，矩陣NInf第一行所代表的節(jié)點屬性改為“不位于蜂窩角點”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”，即將矩陣NInf的第一行的第二列元素值改為O，第三列元素值改為I ; 若P2與Pin2之間的距離小于或等于herr，則將區(qū)域內(nèi)的第一個節(jié)點移到截面幾何模型邊界上，即將Pin2的坐標值賦給矩陣NInf第一行的第四列和第五列，同時，矩陣NInf第一行所代表的節(jié)點屬性改為“不位于蜂窩角點”和“位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)”，即將矩陣NInf的第一行的第二列元素值改為O，第三列元素值改為I ; 步驟九找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù)，并重新賦給nin，這表示這個蜂窩經(jīng)過上述步驟的操作，該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點個數(shù)nin進行了更新； 步驟十若蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的第一個節(jié)點和最后一個節(jié)點距離小于herr,則進行節(jié)點合并； 考察矩陣NInf的第I行所表示的節(jié)點與第nin行所表示的節(jié)點之間的距離值，若距離小于herr，則將矩陣NInf的第I行所表示的節(jié)點移到兩節(jié)點的中點處，即將矩陣NInf的第一行的第四列和第五列元素值改為兩節(jié)點的中點坐標值，同時，將第nin個節(jié)點的屬性改為“位于截面幾何模型區(qū)域外”，即將第nin行的第三列的元素值改為O ; 步驟十一找出該蜂窩結(jié)構(gòu)中位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)且位于蜂窩角點上的節(jié)點個數(shù)，即矩陣NInf中第二列和第三列元素值都為I的行數(shù)，記作ncd，若ncd< 1，則說明該蜂窩沒有角點位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)，返回權(quán)利要求I中的步驟十二，若ncdSl，則找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù)，并重新賦給nin ； 步驟十二 判斷這個蜂窩的樣式并進行蜂窩節(jié)點排序； 首先，記該蜂窩在截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的第一個位于蜂窩角點上的節(jié)點在矩陣NInf中位于第Pos1R，并記Cl1 = Pos1-I,記該蜂窩在截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的最后一個位于蜂窩角點上的節(jié)點在矩陣NInf中位于第Pos2行,并記d2 = nin-pos2 ； 然后，若Cl1 > d2，則需將該蜂窩的節(jié)點變?yōu)槿缦马樞蛟騼?nèi)的最后一點作為域內(nèi)第一點即對應矩陣NInf的第一行，并且各節(jié)點按順時針順序排列； 步驟十三找出矩陣NInf的第三列元素值大于O的行數(shù)，并重新賦給nin，這表示這個蜂窩經(jīng)過上述步驟的操作，該蜂窩結(jié)構(gòu)位于截面幾何模型區(qū)域內(nèi)的節(jié)點個數(shù)nin進行了更新； 該方法中對蜂窩進行處理的方法的具體實施步驟中，需要求四點構(gòu)成的兩線段的交點坐標，具體求法如下 首先，假設(shè)兩條線段@和@的端點坐標分別SP1 (Xl，Y1) > P2(χ2, y2)、P3(x3，y3)、Ρ4(χ4，y4)； 然后，構(gòu)造下列參數(shù)
全文摘要
一種異型蜂窩蒙皮結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，步驟如下一、建立其截面幾何模型；二、生成某環(huán)蜂窩中心點；三、篩選域內(nèi)蜂窩；四、若本環(huán)無域內(nèi)蜂窩，執(zhí)行十五，否則執(zhí)行五；五、對本環(huán)的域內(nèi)蜂窩生成節(jié)點；六、處理該蜂窩節(jié)點；七、若該蜂窩域內(nèi)節(jié)點多于2個，執(zhí)行八，否則執(zhí)行十三；八、劃分該蜂窩的線單元；九、劃分對應的蒙皮單元；十、若蒙皮單元節(jié)點個數(shù)為0，執(zhí)行十一，否則執(zhí)行十三；十一、輸出蒙皮單元信息；十二、輸出蒙皮的節(jié)點信息；十三、若未處理完本環(huán)蜂窩，則執(zhí)行五，否則執(zhí)行十四；十四、若未處理完全部環(huán)的蜂窩，則執(zhí)行二，否則執(zhí)行十五；十五、輸出蜂窩單元信息；十六、輸出蜂窩節(jié)點信息；十七、輸出蜂窩粘接處單元集合信息。
文檔編號G06F17/50GK102663152SQ20121005998
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者楊豐娜, 王延榮, 蔣向華, 魏大盛 申請人:北京航空航天大學