一种基于ANSYS软件的板壳单元缝合方法及装置与流程

一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法及装置
技术领域
1.本发明属于有限元建模技术领域，具体涉及一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法及装置。


背景技术：

2.有限元法(fem，finite element method)是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。空间和时间相关问题的物理定律通常用偏微分方程(pde)来描述。对于绝大多数的几何结构和所面对的问题来说，可能无法求出这些偏微分方程的解析解。不过，在通常的情况下，可以根据不同的离散化类型来构造出近似的方程，得出与这些偏微分方程近似的数值模型方程，并可以用数值方法求解。如此，这些数值模型方程的解就是相应的偏微分方程真实解的近似解。因此，有限元法就是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中有限元分析越来越多地用于通过仿真模拟求解真实的工程问题。ansys是一种融结构、热学、流体、电场、磁场声学和爆破等分析计算为一体的的大型通用有限元软件。ansys已经成为目前计算机辅助工程与工程数值模拟领域最有效的软件之一，其程序可进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热力学分析等。ansys具有良好的用户开发环境，用户可以利用apdl语言进行二次开发，实现用户特殊的工程仿真分析目的。
3.在航天技术领域，板焊结构在航天发射产品中得到了广泛应用，如发射台结构、发射车底盘车架(如图2所示)、发射架、发射筒等。在利用有限元法进行结构强度、刚度仿真建模时，通常的做法先是对板进行抽中面(发射车底盘车架结构完成中面抽取后的示意图如图3所示)，然后对中面进行缝合。对发射设备的大型结构件，缝合的工作量特别巨大，占据结构有限元分析时间的2/3以上，致使结构分析工作耗时过长，严重滞后于设计的协同性要求。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法及装置，可取代烦琐的人工缝合过程，缩短板焊结构的有限元模型前处理时间。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法，包括以下步骤：
7.获取板壳单元有限元模型中面的总数m；
8.确定m个面中所有不共线的两个面；
9.计算不共线的两个面的最小距离，如果所述最小距离小于设定阈值，则这两个面需要缝合；否则不需要缝合；
10.对所有需要缝合的面进行缝合。
11.进一步地，判断两个面是否共线的方法包括：
12.计算所述两个面上的节点之间的距离；
13.如果所述距离的最小值为0，则所述两个面共线；否则不共面。
14.进一步地，判断两个面是否共线的方法包括：
15.分别统计两个面上包含的线的数量m1、m2；
16.统计两个面上线的总数m；
17.若m《m1+m2，则所述两个面共线；否则不共面。
18.进一步地，所述设定阈值为钢板的厚度。
19.进一步地，两个面的缝合方法包括：
20.利用apdl参数提取命令获得两个面的面积，以面积较小的一个面为第一缝合面，另一个面为第二缝合面；
21.计算第一缝合面的边线上一个节点a与第二缝合面边线上节点的距离的最小值，最小距离节点为b，若所述最小值小于所述设定阈值，则建立节点a与b之间的连接；否则不对节点a进行连接；
22.重复上面步骤，遍历第一缝合面的边线上的所有节点，完成第一缝合面与第二缝合面的缝合。
23.进一步地，所述方法还包括手动选择一个面进行缝合的方法：
24.基于手动选择的面s1，确定与面s1不共线且最小距离小于所述设定阈值的面s2；
25.对面s1、s2进行缝合。
26.进一步地，所述方法还包括对手动选择的两个面进行缝合。
27.进一步地，所述方法还包括手动选择一条或多条线进行缝合的方法：
28.针对手动选择的一条或多条线，计算线上节点与其它面边线的最小距离及最小距离节点，若最小距离小于所述设定阈值，则建立线上所述节点与对应的最小距离节点的连接；否则不建立连接；
29.遍历线上所有节点，实现对手动选择的一条或多条线的缝合。
30.进一步地，所述方法还包括对包含手动选择的一条线的线链进行缝合的方法：
31.搜索与手动选择的一条线相连的线，并组成线链；
32.对所述线链进行缝合。
33.第二方面，本发明提供一种基于ansys软件的板壳单元缝合装置，包括：
34.面数获取模块，用于获取板壳单元有限元模型中面的总数m；
35.共线判断模块，用于确定m个面中所有不共线的两个面；
36.距离判断模块，用于计算不共线的两个面的最小距离，如果所述最小距离小于设定阈值，则这两个面需要缝合；否则不需要缝合；
37.缝合模块，用于对所有需要缝合的面进行缝合。
38.进一步地，判断两个面是否共线的方法包括：
39.计算所述两个面上的节点之间的距离；
40.如果所述距离的最小值为0，则所述两个面共线；否则不共面。
41.进一步地，判断两个面是否共线的方法包括：
42.分别统计两个面上包含的线的数量m1、m2；
43.统计两个面上线的总数m；
44.若m《m1+m2，则所述两个面共线；否则不共面。
45.进一步地，所述设定阈值为钢板的厚度。
46.进一步地，两个面的缝合方法包括：
47.利用apdl参数提取命令获得两个面的面积，以面积较小的一个面为第一缝合面，另一个面为第二缝合面；
48.计算第一缝合面边线上的一个节点a与第二缝合面边线上节点的距离的最小值，最小距离节点为b，若所述最小值小于所述设定阈值，则建立节点a与b之间的连接；否则不对节点a进行连接；
49.重复上面步骤，遍历第一缝合面的边线上的所有节点，完成第一缝合面与第二缝合面的缝合。
50.进一步地，所述装置还包括手动选择模块1，用于对手动选择的一个面进行缝合，方法如下：
51.基于手动选择的面s1，确定与面s1不共线且最小距离小于所述设定阈值的面s2；
52.对面s1、s2进行缝合。
53.进一步地，所述装置还包括手动选择模块2，用于对手动选择的两个面进行缝合。
54.进一步地，所述装置还包括手动选择模块3，用于对手动选择的一条或多条线进行缝合，方法如下：
55.针对手动选择的一条或多条线，计算线上节点与其它面边线的最小距离及最小距离节点，若最小距离小于所述设定阈值，则建立线上所述节点与对应的最小距离节点的连接；否则不建立连接；
56.遍历线上所有节点，实现对手动选择的一条或多条线的缝合。
57.进一步地，所述装置还包括手动选择模块4，用于对包含手动选择的一条线的线链进行缝合，方法如下：
58.搜索与手动选择的一条线相连的线，并组成线链；
59.对所述线链进行缝合。
60.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
61.本发明通过获取板壳单元有限元模型中面的总数m，确定m个面中所有不共线的两个面，计算不共线的两个面的最小距离，如果所述最小距离小于设定阈值，则这两个面需要缝合，对所有需要缝合的面进行缝合，实现了板壳单元的自动缝合。本发明能够快速自动缝合板壳结构，可取代手工缝合的烦累工作，实现大型结构的快速前处理建模，提高了结构有限元分析的整体效率。
附图说明
62.图1为本发明实施例一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法的流程图。
63.图2为发射车底盘车架结构示意图。
64.图3为发射车底盘车架结构完成中面抽取后的示意图。
65.图4为两个共线面a1、a2的示意图。
66.图5为发射车底盘车架结构未缝合状态的局部示意图。
67.图6为发射车底盘车架结构缝合状态的局部示意图。
68.图7为本发明实施例一种基于ansys软件的板壳单元缝合装置的方框图。
具体实施方式
69.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
70.图1为本发明实施例一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法的流程图，包括以下步骤：
71.步骤101，获取板壳单元有限元模型中面的总数m；
72.步骤102，确定m个面中所有不共线的两个面；
73.步骤103，计算不共线的两个面的最小距离，如果所述最小距离小于设定阈值，则这两个面需要缝合；否则不需要缝合；
74.步骤104，对所有需要缝合的面进行缝合。
75.本实施例提供一种基于ansys软件的板壳单元缝合方法，利用ansys的apdl(ansys parametric design language)语言进行编程，在ansys软件界面下形成工具条按钮，操作快捷方便。apdl参数化设计语言是由编程语言和ansys命令组成的，包括变量、参数、条件、循环和宏等功能。apdl是一种解释性语言，主要面对熟练掌握了ansys基本分析过程(建模-求解-后处理)并且有编程经验的用户，使用apdl变量设计语言进行开发，以充分发挥ansys的潜能。apdl命令流语言可以按照命令建立自己的模型，包括诸如重复某条命令、宏、if-then-else分支、do循环、标量向量矩阵操作等。使用apdl可以更加有效地进行分析计算，可以实现用户工作(循环、分支、宏等结构)的自动化，是一种高效的参数化建模手段。
76.本实施例中，步骤101主要用于获取有限元模型中面的数量。在利用有限元法对板焊结构仿真建模时，通常的做法先是对板进行抽中面，然后再对抽取后的形成的面进行缝合。为了完成对所有面的操作，需要获取面的总数。ansys软件提供了丰富便捷的操作工具，可利用软件界面工具程序中的apdl参数提取命令，自动获取模型中面的总数量。
77.本实施例中，步骤102、103用于确定所有需要缝合的面。本实施例基于面间的距离及是否为共线面判断两个面是否需要缝合。具体地说就是，共线的面不需要缝合，面间的距离不够小的不需要缝合；或者说，面间的距离小于设定阈值的非共线面需要缝合。面间距离是指两个面上的节点间距离的最小值，即面间最小距离。在几何学中，两个不平行的平面相交于一条直线，因此任意两个不平行的平面都是共线面。共线面的特点是有公共点。本实施例中的面虽然不一定是理想的平面，但共线面同样具有公共点。因此可根据这一特性判断两个面是否共线。在实际应用时，可先从所有m个面中筛选出所有非共线面，然后再检查筛选出的面的距离是否小于设定的阈值；也可以先基于面间距离进行筛选，然后再检查是否共线。
78.本实施例中，步骤104主要用于对所有需要缝合的面进行缝合。两个面的缝合通过连接两个面边线上的节点实现(所述节点是一条线上的离散点，由软件自动设置)。当然，所连接的两个节点并非可以任意选取，一般是距离最近的两个节点；也不一定要将一个面的边线上的所有节点都与另一个面的节点连接。本实施例对具体的缝合方法不作限定，后面的实施例将给出一种具体的缝合方法。
79.图5、图6分别是发射车底盘车架结构未缝合状态和缝合状态的局部示意图。本实
施例通过基于共线面和面间距离自动确定需要缝合的面，对需要缝合的面的边线上的节点建立连接，能够自动快速缝合板壳结构，可取代手工缝合的烦累工作，实现大型结构的快速前处理建模，提高了结构有限元分析的整体效率。
80.作为一可选实施例，判断两个面是否共线的方法包括：
81.计算所述两个面边线上的任意两个节点之间的距离；
82.如果所述距离的最小值为0，则所述两个面共线；否则不共面。
83.本实施例给出了判断两个面是否共线的一种技术方案。如前述，两个面共线的必要条件是具有公共点，因此，两个共线面的最小距离应为0。本实施例就是根据这一特点判断两个面是否共线的，即通过计算两个面的最小距离，根据所述最小距离是否为0进行判断，若为0则两个面共线；否则两个面不共线。
84.作为一可选实施例，判断两个面是否共线的方法包括：
85.分别统计两个面上包含的线的数量m1、m2；
86.统计两个面上线的总数m；
87.若m《m1+m2，则所述两个面共线；否则不共面。
88.本实施例给出了判断两个面是否共线的另一种技术方案。对于面积有限的(或有边界线的)两个面，如果这两个面共线，那么这两个面的边界线至少有一条公共的线段，如图4所示，面a1和a2的边线就有两条公共的线段。由图4可知，a1有5条线，a2有6条线，共5+6＝11条线；而图4中共有9条线，9《11。因此，可通过分别统计两个面上线段的数量并求和，再和与实际的线段数量比较判断两个面是否共线。
89.作为一可选实施例，所述设定阈值为钢板的厚度。
90.本实施例对所述设定阈值进行了限定。本实施例中，所述设定阈值是两个需要缝合的面的最小间距的上限，即最小间距不能超过设定阈值。本实施例将所述设定阈值设置为钢板的厚度，因此，需要缝合的两个面的最小间距应小于一个钢板厚度。
91.作为一可选实施例，两个面的缝合方法包括：
92.利用apdl参数提取命令获得两个面的面积，以面积较小的一个面为第一缝合面，另一个面为第二缝合面；
93.计算第一缝合面的边线上一个节点a与第二缝合面边线上节点的距离的最小值，最小距离节点为b，若所述最小值小于所述设定阈值，则建立节点a与b之间的连接；否则不对节点a进行连接；
94.重复上面步骤，遍历第一缝合面的边线上的所有节点，完成第一缝合面与第二缝合面的缝合。
95.本实施例给出了缝合两个面的一种技术方案。首先，利用软件获得两个面的面积，并将面积较小的一个面定义为第一缝合面，将另一个面定义为第二缝合面。这样区分两个待缝合的面，是因为面积较小的面的边线上的节点较少，比较容易在节点较多(面积较大)的另一个面的边线上找到与之匹配的节点进行连接(缝合)。然后，找到与第一缝合面边线上的一个节点a匹配的第二缝合面边线上的节点b，并连接节点a、b。匹配方法是在第二缝合面边线上找到与节点a距离最近的点，如果最近距离小于设定阈值，则匹配成功，该点就是与a匹配的节点b；如果最近距离不小于设定阈值，则匹配失败，不对节点a进行缝合。重复上述步骤，直到处理完第一缝合面边线上的所有节点，就完成了两个面的缝合。
96.作为一可选实施例，所述方法还包括手动选择一个面进行缝合的方法：
97.基于手动选择的面s1，确定与面s1不共线且最小距离小于所述设定阈值的面s2；
98.对面s1、s2进行缝合。
99.从本实施例起，给出几个手动选择面或线进行缝合的实施例。进行手动选择使缝合方式多样化，也可以更具针对性和目的性。比如，有时按照自动缝合判定策略可能会使一些本该缝合的线或面被遗漏，这时就可以通过手动选择得到完善。本实施例是利用软件手动选择一个面，然后自动搜索需要与选定的面缝合的面，并对这两个面进行缝合。
100.作为一可选实施例，所述方法还包括对手动选择的两个面进行缝合。
101.本实施例所要缝合的两个面都是由手动选择，不需要再进行搜索，直接按照前面给出的缝合方法对手动选择的两个面进行缝合。
102.作为一可选实施例，所述方法还包括手动选择一条或多条线进行缝合的方法：
103.针对手动选择的一条或多条线，计算线上节点与其它面边线的最小距离及最小距离节点，若最小距离小于所述设定阈值，则建立线上所述节点与对应的最小距离节点的连接；否则不建立连接；
104.遍历线上所有节点，实现对手动选择的一条或多条线的缝合。
105.本实施例是手动选择一条线或多条独立的线，将这条或这些线与其它面的边线进行缝合。缝合方法如上，这里不再展开说明。
106.作为一可选实施例，所述方法还包括对包含手动选择的一条线的线链进行缝合的方法：
107.搜索与手动选择的一条线相连的线，并组成线链；
108.对所述线链进行缝合。
109.本实施例是先手动选择一条线，然后自动搜索与该线相连的线，并组成一条线链即折线；最后对所述线链进行缝合。
110.图7为本发明实施例一种基于ansys软件的板壳单元缝合装置的组成示意图，所述装置包括：
111.面数获取模块11，用于获取板壳单元有限元模型中面的总数m；
112.共线判断模块12，用于确定m个面中所有不共线的两个面；
113.距离判断模块13，用于计算不共线的两个面的最小距离，如果所述最小距离小于设定阈值，则这两个面需要缝合；否则不需要缝合；
114.缝合模块14，用于对所有需要缝合的面进行缝合。
115.本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。
116.作为一可选实施例，判断两个面是否共线的方法包括：
117.计算所述两个面上的节点之间的距离；
118.如果所述距离的最小值为0，则所述两个面共线；否则不共面。
119.作为一可选实施例，判断两个面是否共线的方法包括：
120.分别统计两个面上包含的线的数量m1、m2；
121.统计两个面上线的总数m；
122.若m《m1+m2，则所述两个面共线；否则不共面。
123.作为一可选实施例，所述设定阈值为钢板的厚度。
124.作为一可选实施例，两个面的缝合方法包括：
125.利用apdl参数提取命令获得两个面的面积，以面积较小的一个面为第一缝合面，另一个面为第二缝合面；
126.计算第一缝合面边线上的一个节点a与第二缝合面边线上节点的距离的最小值，最小距离节点为b，若所述最小值小于所述设定阈值，则建立节点a与b之间的连接；否则不对节点a进行连接；
127.重复上面步骤，遍历第一缝合面的边线上的所有节点，完成第一缝合面与第二缝合面的缝合。
128.作为一可选实施例，所述装置还包括手动选择模块1，用于对手动选择的一个面进行缝合，方法如下：
129.基于手动选择的面s1，确定与面s1不共线且最小距离小于所述设定阈值的面s2；
130.对面s1、s2进行缝合。
131.作为一可选实施例，所述装置还包括手动选择模块2，用于对手动选择的两个面进行缝合。
132.作为一可选实施例，所述装置还包括手动选择模块3，用于对手动选择的一条或多条线进行缝合，方法如下：
133.针对手动选择的一条或多条线，计算线上节点与其它面边线的最小距离及最小距离节点，若最小距离小于所述设定阈值，则建立线上所述节点与对应的最小距离节点的连接；否则不建立连接；
134.遍历线上所有节点，实现对手动选择的一条或多条线的缝合。
135.作为一可选实施例，所述装置还包括手动选择模块4，用于对包含手动选择的一条线的线链进行缝合，方法如下：
136.搜索与手动选择的一条线相连的线，并组成线链；
137.对所述线链进行缝合。
138.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。