含开口的圆柱形蒙皮桁条结构通用参数化几何建模方法

本发明属于火箭蒙皮桁条结构的三维几何建模相关领域，具体涉及一种含开口的圆柱形蒙皮桁条结构的参数化三维几何建模方法。

背景技术：

1、圆柱形蒙皮桁条结构是一种由桁条和圆形框为基础以及附着在其上的蒙皮所构成的承力结构，其具有结构简单，制造方便，生产成本低，且有良好的承载性能，在航天器结构中得到了广泛的应用。圆柱形蒙皮桁条结构作为一种主要承受轴向载荷的薄壁加筋圆柱形结构，其整体失稳往往先于结构强度破坏发生，这使得轴压稳定性成为设计该类结构的重点。为了对该结构开展有限元分析，对其进行精确且高效的三维建模方法必不可少。

2、参数化建模是一种以几何模型中的尺寸参数为驱动方式，以编程开发语言为工具，通过给定的参数来生成多个相似几何模型的快速化设计方法。建立蒙皮桁条结构几何模型时，使用参数化建模的方法可以避免重复建模，节省时间，提高工作效率。文献“徐开拓.基于等效静态载荷的蒙皮桁条结构动力学优化设计[d].大连理工大学,2020.”基于apdl语言建立了蒙皮桁条结构的三维模型。但该文献中未能给出含开口的蒙皮桁条结构的建模方法，而开口是蒙皮桁条结构的重要特征；同时该文献认为蒙皮桁条结构中桁条和框的布局固定不变，不利于后续蒙皮桁条结构的优化。因此，需要一种能综合考虑桁条和框详细几何及其空间局部的含开口的蒙皮桁条结构通用参数化建模方法。

技术实现思路

1、为了克服现有基于apdl语言建立蒙皮桁条结构三维模型的方法不能满足含开口的复杂蒙皮桁条结构通用参数化建模需求的不足，本发明提出了一种含开口的圆柱形蒙皮桁条结构通用参数化几何建模方法。

2、本发明的构思是：

3、首先，建立模型的参考坐标轴，并确定模型的参数，包括蒙皮的直径与高度，各个桁条、框的布局与截面属性，开口的数量及位置。

4、其次，根据已知的参数创建各个桁条和框的截面属性。

5、再次，建立圆柱壳体以模拟蒙皮，在壳体上建立纵向与环向的线条来模拟桁条与框；然后确定开口的位置，移除开口区域所包含的曲面及线条单元。

6、最后，将截面属性分配给对应的单元，得到一个含开口的蒙皮桁条的三维几何模型。

7、本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

8、含开口的圆柱形蒙皮桁条结构通用参数化几何建模方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

9、步骤1：建立用于描述蒙皮桁条结构中各构件相对位置的参考坐标系；

10、步骤2：定义蒙皮桁条结构的模型参数，包括圆柱蒙皮的几何尺寸，桁条和框截面的几何尺寸及布局，圆柱蒙皮、桁条和框的材料属性，以及开口的数量及位置；

11、步骤3：根据步骤2定义的模型参数，创建桁条和框的截面几何和材料属性；

12、步骤4：创建蒙皮截面几何属性和材料属性，在所述参考坐标系下创建圆柱形蒙皮模型；所述蒙皮截面几何属性包括截面类型和厚度；

13、步骤5：在所述参考坐标系下，确定每根桁条和框相对于所述蒙皮模型的分布位置，基于所述分布位置在所述蒙皮模型上创建用于模拟桁条和框的线条；

14、步骤6：在所述蒙皮模型上确定开口位置并移除该位置内包含的曲面及线条，并加粗所述开口的边界处桁条，从而创建好蒙皮开口；

15、步骤7：将步骤4设置的蒙皮的截面几何属性赋予对应的曲面，将步骤3创建的桁条和框的截面几何属性赋予给对应的线条，得到含开口的圆柱形蒙皮桁条结构的三维几何模型。

16、进一步地，步骤2中所述的材料属性包括密度、弹性模量和泊松比。

17、进一步地，步骤3中桁条的截面几何属性包括“t”型剖面几何属性、“l”型剖面几何属性和“i”型剖面几何属性中的至少一种；

18、所述“t”型剖面几何属性由以下参数定义：桁条宽度、桁条高度、桁条宽的厚度和桁条高的厚度；

19、所述“l”型剖面几何属性由以下参数定义：桁条宽度、桁条高度、桁条宽的厚度和桁条高的厚度；

20、“i”型剖面几何属性由以下参数定义：桁条底边宽度、桁条顶边宽度、桁条高度、桁条底边厚度、桁条顶边厚度和桁条高的厚度。

21、进一步地，步骤3中框的截面几何属性包括“l”型剖面几何属性和“n”型剖面几何属性；

22、所述“l”型剖面几何属性由以下参数定义：桁条宽度、桁条高度、桁条宽的厚度和桁条高的厚度；

23、所述“n”型剖面几何属性由以下参数定义：框底边宽度、框顶边宽度、框高、框底边厚度、框顶边厚度和框高的厚度。

24、进一步地，所述步骤4具体为：

25、步骤4.1在所述参考坐标系的xoy平面建立圆柱形蒙皮模型的投影草图；

26、步骤4.2将所述投影草图沿所述参考坐标系的z轴正方向拉伸，拉伸高度h为圆柱形蒙皮桁条结构的高度，设定蒙皮截面类别、厚度以及材料属性，得到蒙皮三维模型。

27、进一步地，所述步骤5中每根桁条由线条pi pi’表示，pi坐标为(r·sinθi,r·cosθi,0)，pi’坐标为(r·sinθi,r·cosθi,h)，θi为各桁条的相位角；所述框中：位于最上端和最下端的框分别为所述蒙皮模型的最上方和最下方边线，其余框分别用基准平面与所述蒙皮模型相交处生成的环形线条表示，所述基准平面为距离所述xoy面hi的平面，i＝1,2,…,n，n为所述其余框的数量。

28、进一步地，步骤6中所述开口位置由以下参数确定：开口下端框的高度、高口上端框的高度、开口起始位置桁条的相位角，以及开口终止位置桁条的相位角。

29、进一步地，所述步骤7中将桁条和框的截面几何属性赋予给对应线条后，并指派桁条和框的方向，即完成桁条和框截面属性的赋予。

30、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特殊之处在于：所述计算机程序被运行时，用于执行上述的含开口的圆柱形蒙皮桁条结构通用参数化几何建模方法。

31、本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，其特殊之处在于：所述计算机程序被所述处理器运行时，用于执行上述的含开口的圆柱形蒙皮桁条结构通用参数化几何建模方法。

32、本发明的有益效果是：

33、1.本发明首先建立参考坐标系并确定构建模型所需的相关参数；其次根据给定的参数创建了桁条和框的截面属性；再次创建了蒙皮模型，并在蒙皮模型上绘制线条模拟桁条与框；然后在指定位置进行蒙皮开口的创建；最后为模型的各个单元赋予截面属性，从而得到一种含开口的蒙皮桁条三维几何模型参数化建模方法。由于几何建模有着参数化的特点，故本发明的方法能够减少重复性建模，提高后续有限元计算的效率，提供精确的含开口几何模型，弥补现有方法没有为含开口的蒙皮桁条结构进行通用参数化建模的空白。

34、2.本发明解决了含开口的复杂蒙皮桁条结构参数化三维建模过程中桁条布局固定、蒙皮开口定义困难的问题，为各类蒙皮桁条结构的力学分析提供了快速精确的三维几何模型构建方法。