一种钓竿调性计算方法及系统

1.本发明涉及钓竿设计技术领域，具体而言，涉及一种钓竿调性计算方法及系统。


背景技术：

2.调性曲线指的是钓竿在承受端部垂直载荷时形成的弯曲线条，通过调性曲线可以评判一根钓竿的软硬程度。
3.目前，调性曲线的相关研究主要采用有限元方法和挠曲线控制方程求解法。传统有限元方法进行分析计算需要经历建模、材料属性定义及赋予、划分网格、定义分析步、定义载荷及边界条件等一系列固定流程；计算难点在于碳纤维复合材料的材性计算，以及对于钓竿这种大变形非线性问题容易不收敛，不仅对于设计人员的专业技能要求较为严格，并且结合试验验证发现计算精度不高。钓竿生产企业则主要依靠钓竿调性试验获得调性曲线，但由于试验需要提前进行钓竿生产制造，其模具、设计、材料成本较高，并且得到的调性曲线往往不能很快符合设计要求，需要进行反复迭代试验，浪费时间及人力物力，效率较低。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明的目的在于提出一种模拟实际生产中卷制碳纤维布的工艺过程，形成碳纤维钓竿的参数化建模方式，结合复合材料力学编制结构计算程序，与碳纤维钓竿的参数化模型结合，做到精细化建模与结构分析一体化，实现精准、快速地计算钓竿调性，并将整个计算流程封装，以方便、快速、精准地根据钓竿设计参数来预测钓竿调性曲线。
5.本发明提供一种钓竿调性计算方法，包括以下步骤：s1、利用参数化建模方式模拟碳纤维布的实际卷制过程，输入碳纤维布参数，设定钓竿的截面数，求解碳纤维布卷制后的每个截面的形状，利用截面放样产生整体钓竿的参数化模型；本发明利用参数化建模方式模拟碳纤维布的实际卷制过程，并考虑到碳钎维方向，使得生成的参数化模型更精细化；s2、根据复合材料力学理论知识对所述参数化模型进行模量计算，对钓竿的轴向刚度（拉压刚度）与弯曲刚度进行精确计算；采用复合材料力学理论计算碳纤维布卷制后的钓竿不同截面的模量；计算弹性模量e、截面面积a和截面惯性矩i，求解截面的拉压刚度ea和弯曲刚度ei；采用混合法，根据已知碳纤维布的纵向与横向拉伸模量，对截面利用不同碳纤维布的体积分数与纤维方向进行计算得出截面的弹性模量e；根据截面的碳纤维布卷制层数，不同碳纤维布的厚度、模具的直径计算截面面积a、截面惯性矩i，进而求出钓竿截面的拉压刚度ea和弯曲刚度ei；s3、基于所述参数化模型编制结构计算程序，进行精细化建模与结构力学分析一体化设计构建；
采用向量式有限元算法进行调性计算，采用梁单元对钓竿进行结构力学分析计算，将s2步骤中计算求解得到的模量参数和刚度参数代入结构计算程序计算钓竿调性；s4、将一体化设计构建的所述结构计算程序封装成为软件系统，所述软件系统实现输入设计参数、输出相应的钓竿调性曲线。
6.进一步地，所述s1步骤的所述碳纤维布参数包括：碳纤维布层数、碳纤维布层厚、碳纤维布尺寸、碳纤维布铺层顺序、碳纤维方向、模具参数，模拟实际生产过程生成钓竿模型。
7.进一步地，所述s1步骤的产生整体钓竿的参数化模型的方法包括：针对不同长度的钓竿，给出经过优化算法寻优后选取节点数量的参考，在满足模拟精度的情况下选取最优的节点数量，加快计算速度。
8.进一步地，所述钓竿采用三层碳纤维布叠加卷制。
9.进一步地，所述选取节点数量的方法包括：定义钓竿设计参数，将钓竿按照碳布数量变化处截面划分为不同的节；以三层碳布为例，则划分为三节，分别取为a、b、c节，每节分别定义截面数量即计算节点数，对a、b、c三节分别取5、9、6个节点进行钓竿调性计算。
10.本发明以定义参数为实际设计参数，定制钓竿，进行实验验证，实验结果与定义参数的计算结果吻合较好。
11.进一步地，所述s3步骤的采用向量式有限元算法进行调性计算的方法包括：以向量式有限元为理论依据，将钓竿视为二维梁单元，采用自编程序，进行单元节点线位移或角位移计算、单元节点内力或内力矩计算、下一步质点总线位移或角位移计算的迭代计算，得到任意参数下的钓竿调性曲线。
12.进一步地，所述s4步骤的所述软件系统根据输入参数还能够输出相应的钓竿3d模型图，任意截面的受力情况，用于作为设计的参考，对设计具有参考意义。
13.本发明还提供一种钓竿调性计算系统，执行如上述所述的钓竿调性计算方法，包括：参数化模型建模模块：利用参数化建模方式模拟碳纤维布的实际卷制过程，输入碳纤维布参数，设定钓竿的截面数，求解碳纤维布卷制后的每个截面的形状，利用截面放样产生整体钓竿的参数化模型；结构力学分析计算模块：根据复合材料力学理论知识对参数化模型进行模量计算，对钓竿的轴向刚度（拉压刚度）与弯曲刚度进行精确计算；结构计算程序编制模块：基于参数化模型编制结构计算程序，进行精细化建模与结构力学分析一体化设计构建；封装软件系统模块：用于将一体化设计构建的结构计算程序封装成为软件系统，软件系统实现输入设计参数、输出相应的钓竿调性曲线。
14.论文文献“《基于向量式有限元的钓竿调性曲线计算及参数优化》，赵小茜”提出了一种结合参数化模型，在向量式有限元的基础上计算钓竿调性曲线的方法，该论文文献存在下述缺点不足：1）参数化模型与实际生产流程存在偏差，而且没有考虑碳纤维布卷制后的碳纤维角度问题（这样会对模量计算产生较大影响），对模量的计算不准确；
2）对参数化模型输出仅输出不同截面的厚度，而后还需将厚度进一步进行跨平台处理，才能计算得出钓竿调性曲线；3）采用向量式有限元计算时没有考虑弯曲刚度；4）整体流程计算下来需要多重人为操作，费时且费力。
15.专利文献（cn202111123985.3）《适用于鱼竿调性曲线计算的模拟方法及系统》中提出了以通过悬臂梁大变形理论对钓竿调性曲线进行计算为核心的算法。本发明钓竿调性计算方法与专利文献的不同之处包括：1）本发明核心方法采用更适合计算大变位问题的向量式有限元方法；2）采用了不同的计算思路，上述专利文献是通过程序对输入参数进行计算得出模量，本发明是根据参数模拟实际生产过程形成模型，再对模型进行计算输出模量，相比较而言本发明的计算结果更精确。
16.对于相应参数的调性计算，论文文献需要30分钟，专利文献需要8分钟，本发明只需要1分钟。
17.可见，本发明钓竿调性计算方法更准确更迅速，通过联系钓竿制作工厂进行钓竿定制，通过实验对计算准确性进行了验证，可以给出具体的数据方案与数据支持。
18.本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述所述的钓竿调性计算方法的步骤。
19.本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上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上述所述的钓竿调性计算方法的步骤。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用自编计算程序植入参数化建模平台中，只需要定义设计参数与受力荷载等原始数据，不需要手动操作，做到了精细化建模与结构力学分析一体化设计构建，在提高计算速度的同时保证了计算精度，提升了计算效率。
附图说明
21.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
22.在附图中：图1为本发明一种钓竿调性计算方法的流程图；图2为本发明实施例计算机设备的构成示意图；图3为本发明实施例三层碳布叠加卷制的模型示意图；图4为本发明实施例利用截面放样产生整体钓竿模型的模型示意图；图5为本发明实施例的钓竿划分abc三节的模型示意图；图6为本发明实施例对钓竿abc三节分别取5、9、6个节点计算钓竿调性的结果示意图；图7为本发明实施例钓竿调性曲线曲线计算的算法流程图。
具体实施方式
23.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。
24.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
25.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
26.下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
27.本发明实施例提供一种钓竿调性计算方法，参见图1所示，包括如下步骤：s1、利用参数化建模方式模拟碳纤维布的实际卷制过程，输入碳纤维布参数，设定钓竿的截面数，求解碳纤维布卷制后的每个截面的形状，利用截面放样产生整体钓竿的参数化模型，参见图4所示；本发明利用参数化建模方式模拟碳纤维布的实际卷制过程，并考虑到碳钎维方向，使得生成的参数化模型更精细化；所述碳纤维布参数包括：碳纤维布层数、碳纤维布层厚、碳纤维布尺寸、碳纤维布铺层顺序、碳纤维方向、模具参数，模拟实际生产过程生成钓竿模型；所述产生整体钓竿的参数化模型的方法包括：针对不同长度的钓竿，给出经过优化算法寻优后选取节点数量的参考，在满足模拟精度的情况下选取最优的节点数量，加快计算速度；本实施例中，在满足模拟精度的情况下选取节点数量，参见图3所示钓竿采用三层碳纤维布叠加卷制，定义钓竿设计参数，参见图5所示将钓竿划分为abc三节，每节分别定义截面数量即计算节点数；对abc三节分别取5、9、6个节点进行钓竿调性计算，参见图6所示，横坐标为钓竿长度，纵坐标为钓竿竖向变形，单位皆为m。
28.本实施例以定义参数为实际设计参数，定制钓竿，进行实验验证，实验结果与定义参数的计算结果吻合较好；s2、根据复合材料力学理论知识对所述参数化模型进行模量计算，对钓竿的轴向刚度（拉压刚度）与弯曲刚度进行精确计算；采用复合材料力学理论计算碳纤维布卷制后的钓竿不同截面的模量；计算弹性模量e、截面面积a和截面惯性矩i，求解截面的拉压刚度ea和弯曲刚度ei；采用混合法，根据已知碳纤维布的纵向与横向拉伸模量，对截面利用不同碳纤维布的体积分数与纤维方向进行计算得出截面的弹性模量e；根据截面的碳纤维布卷制层数，不同碳纤维布的厚度、模具的直径计算截面面积
a、截面惯性矩i，进而求出钓竿截面的拉压刚度ea和弯曲刚度ei；s3、基于所述参数化模型编制结构计算程序，进行精细化建模与结构力学分析一体化设计构建；采用向量式有限元算法进行调性计算，采用梁单元对钓竿进行结构力学分析计算，将s2步骤中计算求解得到的模量参数和刚度参数代入结构计算程序计算钓竿调性；所述采用向量式有限元算法进行调性计算的方法为：以向量式有限元为理论依据，将钓竿视为二维梁单元，采用自编程序，进行单元节点线位移或角位移计算、单元节点内力或内力矩计算、下一步质点总线位移或角位移计算的迭代计算，得到任意参数下的钓竿调性曲线；s4、将一体化设计构建的所述结构计算程序封装成为软件系统，所述软件系统实现输入设计参数、输出相应的钓竿调性曲线；所述软件系统根据输入参数还能够输出相应的钓竿3d模型图，任意截面的受力情况，用于作为设计的参考，对设计具有参考意义。
29.本发明实施例还提供一种钓竿调性计算系统，执行如上述所述的钓竿调性计算方法，包括：参数化模型建模模块：利用参数化建模方式模拟碳纤维布的实际卷制过程，输入碳纤维布参数，设定钓竿的截面数，求解碳纤维布卷制后的每个截面的形状，利用截面放样产生整体钓竿的参数化模型；结构力学分析计算模块：根据复合材料力学理论知识对参数化模型进行模量计算，对钓竿的轴向刚度（拉压刚度）与弯曲刚度进行精确计算；结构计算程序编制模块：基于参数化模型编制结构计算程序，进行精细化建模与结构力学分析一体化设计构建；封装软件系统模块：用于将一体化设计构建的结构计算程序封装成为软件系统，软件系统实现输入设计参数、输出相应的钓竿调性曲线。
30.对于相应参数的调性计算，本发明实施例只需要1分钟。本发明钓竿调性计算方法准确、迅速，通过联系钓竿制作工厂进行钓竿定制，通过实验对计算准确性进行了验证，可以给出具体的数据方案与数据支持。
31.本发明实施例采用自编计算程序植入参数化建模平台中，只需要定义设计参数与受力荷载等原始数据，不需要手动操作，做到了精细化建模与结构力学分析一体化设计构建，在提高计算速度的同时保证了计算精度，提升了计算效率。
32.参见图7所示为本发明实施例钓竿调性曲线计算的算法流程图。
33.本发明实施例还提供了一种计算机设备，图2是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；参见附图图2所示，该计算机设备包括：输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21；所述存储器22，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器21执行，使得所述一个或多个处理器21实现如上述实施例提供的钓竿调性计算方法；其中输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。
34.存储器22作为一种计算设备可读写存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例所述的钓竿调性计算方法对应的程序指令；存储器22可主要包括
存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等；此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件；在一些实例中，存储器22可进一步包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
35.输入装置23可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入；输出装置24可包括显示屏等显示设备。
36.处理器21通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的钓竿调性计算方法。
37.上述提供的计算机设备可用于执行上述实施例提供的钓竿调性计算方法，具备相应的功能和有益效果。
38.本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述实施例提供的钓竿调性计算方法，存储介质是任何的各种类型的存储器设备或存储设备，存储介质包括：安装介质，例如cd-rom、软盘或磁带装置；计算机系统存储器或随机存取存储器，诸如dram、ddr ram、sram、edo ram，兰巴斯(rambus)ram等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的存储器元件等；存储介质可以还包括其它类型的存储器或其组合；另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的第一计算机系统中，或者可以位于不同的第二计算机系统中，第二计算机系统通过网络(诸如因特网)连接到第一计算机系统；第二计算机系统可以提供程序指令给第一计算机用于执行。存储介质包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机系统中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。
39.当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上实施例所述的钓竿调性计算方法，还可以执行本发明任意实施例所提供的钓竿调性计算方法中的相关操作。
40.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
41.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。