专利名称：多学科优化设计中的网格转换方法
技术领域：
本发明涉及一种多学科优化设计中的模型处理与转换技术，特别是高密度机箱的 结构、电磁、热耦合分析中多学科优化设计中的网格转换方法。
背景技术：
高密度机箱机的多学科优化设计中需要进行电热多场耦合分析，传统的机电热分 离的分析方法是将参数化的模型要先转换为结构模型、电磁模型、热分析的模型，在直接 进入相应的分析软件，进行各自的分析，得到相互独立的分析结果，三个分析学科之间没有 任何信息传递。进行多场耦合分析时，需要在各个物理场之间传递耦合信息。最常见的是将结构 变形传递到温度分析模块和电磁分析模块中。尽管三个学科所依据的物理定律不同，但现 代的数值分析方法均是在离散化网格的基础上进行的，如果能将三个物理场的离散网格统 一，就可以方便的实现耦合信息的传递。但是实际上，结构分析多使用有限元方法，电磁分 析中有限元、时域有限差分、矩量法都是常用方法，温度分析中多使用有限容积法。三个物 理场不但分析方法不同，网格形式也不同。结构上单元类型多样，网格形式各不相同，三角 形、四边形、四面体、六面体等形式都较为常见；电磁分析中有限元法和矩量法一般是四面 体和三角形，而时域有限差分法使用六面体和四边形网格；温度分析中常用六面体网格。因 而，广泛意义上的统一三个物理场的网格是十分困难的事情。
发明内容
本发明的目的是提供一种当确定了每个物理场使用的具体算法甚至分析软件时， 通过一套离散网格传递变形信息实现多学科优化设计中的网格转换方法。本发明的目的是这样实现的，多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是 它通过如下步骤完成
1)首先将参数化CAD实体模型导入到结构分析模型中进行结构分析；
2)在结构分析完成后，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；
3)将结构网格文件输入到热分析网格和电磁分析网格进行热和电磁分析。所述的结构分析模型中进行结构分析，需要提取结构分析模型中的板壳表面网格 及三角化处理和实体单元表面网格及三角化处理，需要按照结构分析模型的单元类型进行 分类处理，对分类的二维的面单元，判断是否是三角形单元，是，则直接提取单元信息，输出 含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；不是，先进行三角化处理，后直接 提取单元信息，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；对分类的三 维的实体单元，则需要先将实体化单元平面化，去除内部单元，提取外表面单元，然后对外 表面单元使用二维面单元的处理过程；最后将处理后的单元重新组合编号，写成FEKO和 ICEPAK能够识别的文件格式。所述的提取板壳表面网格及进行三角化处理流程步骤是，首先通过步骤301判断是否存在板壳单元，如果不存在，则进入退出步骤305，不需提取表面网格；如果存在，进入 步骤302，选择需要提取的板壳面；之后进入步骤303，取板壳面数Nb，使I=I (I是一个计 数器，所有板壳单元都处理完后即I=Nb时，完成处理)，进入步骤304，判断计数器是否等于 Nb，即判断是否所有板壳单元都处理完毕，是则进入步骤305，结束板壳单元网格提取流程。 否则进入步骤306，提取第I个板壳单元，进入步骤307，判断第I个单元是否为四边形单 元，是则进行步骤308，开始三角化处理，然后进行步骤310输出处理后的单元结点信息，之 后进入步骤311将计数器加1，回到步骤304 ；否则进入步骤309，输出单元结点信息。然后 进入步骤311将计数器加1，回到步骤304。所述的提取实体单元表面网格及三角化处理流程步骤是首先通过步骤401判断 是否存在实体单元，如果不存在，则进入退出步骤405，不需提取表面网格；如果存在，进入 步骤402，选择需要提取的实体单元；之后进入步骤403，取实体单元数Nt，使I=I (I是一 个计数器，所有板壳单元都处理完后即I=Nt时，完成处理)，进入步骤404，判断计数器是否 等于Nt，即判断是否所有实体单元都处理完毕，是则进入步骤405，结束实体单元网格提取 流程；否则进入步骤406，提取第I个实体单元，进入步骤407，提取该实体单元的外表面数 Ns，进入步骤408，计数器J=I，判断第J是否为该实体单元外表面数，是则计数器1+1，进行 步骤404。否则进入步骤409，选择J表面的所有单元结点，进入步骤410对J表面的单元 结点进行排列重组，然后进入步骤411输出单元结点信息；然后将计数器J加1，回到步骤 407，判断是否需要处理第1+1个单元。所述提取外表面单元的流程是，首先进行步骤501取实体单元信息；然后进行步 骤502对每一个体单元，取它的面信息；接着进行步骤503，判断每一个面是否只存在于一 个实体单元上，如果不是，执行步骤505，则表明该面是单元的外表面，保存该面单元，然后 执行步骤506判断下一个实体单元；如果是，执行步骤504，则表明该面是单元的内表面，直 接删除，然后执行步骤506判断下一个实体单元。这样处理完全部的体单元，即可得到一个 实体结构的外表面单元信息。所述的其中三角化处理中存在四边形面单元，要把一个四边形分成两个三角形， 两个三角形不能交叠。所述的电磁分析需要根据频率细化网格。所述的温度分析要在导入三角面片的基础上继续划分六面体网格，并且对空气也 需要划分网格；最后设置材料属性，边界条件和各种激励即可开始分析计算。本发明的优点是本发明首先建立机箱结构的参数化CAD模型，进行结构有限元 分析；其次，在力学分析的基础上，将变形的机箱模型传递到温度分析软件，先进行温度分 析，根据温度分析结果确定场耦合模型中的电磁器件功率，同时确定导电橡胶的电参数，再 将结构变形传递到电磁分析软件，进行电磁分析，最后得到三个物理场的分析结果。因此， 本发明与传统分析的最大差别是1、变形的结构信息进入电磁和温度分析；2、导电橡胶的 电参数进入电磁分析；3、温度对器件的影响进入电磁分析。同时，耦合分析中三个学科使用 了一个网格模型，相对于传统分析的三个模型，大大减少。
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明图1是结构位移场信息传递总体流程图； 图2是结构网格提取的总体流程图； 图3是板壳单元网格传递流程； 图4是实体单元网格传递流程； 图5是实体表面网格提取及三角化； 图6是三角化网格处理； 图7是机箱网格转换结果。
具体实施例方式在进行结构有限元分析时，机箱结构常采用的单元类型是板单元、板壳单元和体 单元。板壳单元主要有三角形板壳单元和四边形板壳单元，体单元则主要有四面体单元和 六面体单元。公开的FEKO软件和ICEPAK软件都能够导入以三角形面片拼接的模型，将三 角面片封闭的几何体认作实体，在此基础上划分各自的网格，进而完成分析计算。因此，提 取结构网格中的外表面上的变形结点坐标和单元信息，并将单元重组形成三角片，再分别 写成FEKO软件和ICEPAK软件能够识别的网格文件格式，即可将结构变形信息传递到电磁 分析和温度分析中，实现多场耦合分析。多学科优化设计中的网格转换方法，如图1所示，通过如下步骤完成
1)首先将参数化CAD实体模型导入到结构分析模型中进行结构分析；
2)在结构分析完成后，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；
3)将结构网格文件输入到热分析网格和电磁分析网格进行热和电磁分析。如图2所示，对结构分析模型进行结构分析，需要提取结构分析模型中的板壳表 面网格及三角化处理和实体单元表面网格及三角化处理，这一过程需要按照结构分析模型 的单元类型进行分类处理，对分类的二维的面单元(板或壳单元)，判断是否是三角形单 元，是，则直接提取单元信息，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件。 不是，先进行三角化处理，后直接提取单元信息，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信 息的结构网格文件。对分类的三维的实体单元，则需要先将实体化单元平面化，去除内部单元，提取外 表面单元，然后对外表面单元使用二维面单元的处理过程。最后将处理后的单元重新组合 编号，写成FEKO和ICEPAK能够识别的文件格式。提取板壳表面网格及进行三角化处理流程步骤如图3所示，首先通过步骤301判 断是否存在板壳单元，如果不存在，则进入退出步骤305，不需提取表面网格；如果存在，进 入步骤302，选择需要提取的板壳面；之后进入步骤303，取板壳面数Nb，使I=I (I是一个 计数器，所有板壳单元都处理完后即I=Nb时，完成处理)，进入步骤304，判断计数器是否等 于Nb，即判断是否所有板壳单元都处理完毕，是则进入步骤305，结束板壳单元网格提取流 程。否则进入步骤306，提取第I个板壳单元，进入步骤307，判断第I个单元是否为四边形 单元，是则进行步骤308，开始三角化处理，然后进行步骤310输出处理后的单元结点信息， 之后进入步骤311将计数器加1，回到步骤304。否则进入步骤309，输出单元结点信息。然 后进入步骤311将计数器加1，回到步骤304。提取实体单元表面网格及三角化处理流程步骤如图4所示，首先通过步骤401判断是否存在实体单元，如果不存在，则进入退出步骤405，不需提取表面网格；如果存在，进 入步骤402，选择需要提取的实体单元；之后进入步骤403，取实体单元数Nt，使I=I (I是 一个计数器，所有板壳单元都处理完后即I=Nt时，完成处理)，进入步骤404，判断计数器是 否等于Nt，即判断是否所有实体单元都处理完毕，是则进入步骤405，结束实体单元网格提 取流程。否则进入步骤406，提取第I个实体单元，进入步骤407，提取该实体单元的外表面 数Ns，进入步骤408，计数器J=I，判断第J是否为该实体单元外表面数，是则计数器1+1，进 行步骤404。否则进入步骤409，选择J表面的所有单元结点，进入步骤410对J表面的单 元结点进行排列重组，然后进入步骤411输出单元结点信息。然后将计数器J加1，回到步 骤407，判断是否需要处理第1+1个单元。其中，提取外表面单元的流程如图5所示，首先进行步骤501取实体单元信息；然 后进行步骤502对每一个体单元，取它的面信息；接着进行步骤503，判断每一个面是否只 存在于一个实体单元上(如四面体单元有4个面，六面体单元有6个面)，如果不是，执行步 骤505，则表明该面是单元的外表面，保存该面单元，然后执行步骤506判断下一个实体单 元。；如果是，执行步骤504，则表明该面是单元的内表面，直接删除，然后执行步骤506判断 下一个实体单元。这样处理完全部的体单元，即可得到一个实体结构的外表面单元信息。其中，三角化处理的具体流程如图6所示，对于面单元(板壳单元)，若面单元为 三角形面单元，则直接提取；若面单元上存在四边形面单元，要把一个四边形分成两个三角 形。此时应注意分成的两个三角形不能交叠。如图6所示，四边形网格的四个结点1、2、3、 4，图6(b)将这个四边形分成两个三角形，可以是3、1点连线剖分，也可以2、4点连线剖分。图6 (d)、图6 (e)是按3、1点连线剖分和2、4点连线剖分得到的两个三角形网格的 一部分。图6 (C)这种剖分方式不但相互交叠而且还有面积丢失，是错误的处理方法。机箱的单元和结点处理完后，按照不同软件要求的格式，写成相应的模型文件，导 入分析软件中，即完成变形结构网格的转换。为了验证上述网格转换方法的有效性，以某高密度电子设备机箱为例，检验该方 法。如图7(a、b、c)所示。在导入电磁和温度分析软件后，根据各自学科的分析要求，在此 基础上进一步划分各自的分析网格，例如电磁分析需要根据频率细化网格，温度分析则要 在导入三角面片的基础上继续划分六面体网格，并且空气也需要划分网格。最后设置材料 属性，边界条件和各种激励即可开始分析计算。这方面的技术由于是已有的技术，本发明说 明书中不过多说明，关心者可参考更专业的技术资料。图7中的图7a图7b、图7c是为了对 本发明进行说明而引入示意图，并不代表本发明的实体，只作参考使用。当然，在导入网格的基础上划分网格，相对于直接建模划分网格，由于考虑更多的 变形信息，必然存在网格质量较差，或者网格数量较多等问题，这是耦合分析带来的不足。
权利要求
1.多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是它通过如下步骤完成1)首先将参数化CAD实体模型导入到结构分析模型中进行结构分析；2)在结构分析完成后，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；3)将结构网格文件输入到热分析网格和电磁分析网格进行热和电磁分析。
2.根据权利要求1所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述的 对结构分析模型进行结构分析，需要提取结构分析模型中的板壳表面网格及三角化处理和 实体单元表面网格及三角化处理，需要按照结构分析模型的单元类型进行分类处理，对分 类的二维的面单元，判断是否是三角形单元，是，则直接提取单元信息，输出含有全部结点 的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；不是，先进行三角化处理，后直接提取单元信息， 输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；对分类的三维的实体单元，则 需要先将实体化单元平面化，去除内部单元，提取外表面单元，然后对外表面单元使用二维 面单元的处理过程；最后将处理后的单元重新组合编号，写成FEKO和ICEPAK能够识别的文 件格式。
3.根据权利要求2所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述的 提取结构分析模型中的板壳表面网格及三角化处理流程步骤是，首先通过步骤301判断是 否存在板壳单元，如果不存在，则进入退出步骤305，不需提取表面网格；如果存在，进入步 骤302，选择需要提取的板壳面；之后进入步骤303，取板壳面数Nb，使I=I (I是一个计数 器，所有板壳单元都处理完后即I=Nb时，完成处理)，进入步骤304，判断计数器是否等于 Nb，即判断是否所有板壳单元都处理完毕，是则进入步骤305，结束板壳单元网格提取流程； 否则进入步骤306，提取第I个板壳单元，进入步骤307，判断第I个单元是否为四边形单 元，是则进行步骤308，开始三角化处理，然后进行步骤310输出处理后的单元结点信息，之 后进入步骤311将计数器加1，回到步骤304 ；否则进入步骤309，输出单元结点信息；然后 进入步骤311将计数器加1，回到步骤304。
4.根据权利要求2所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述的 提取实体单元表面网格及三角化处理流程步骤是首先通过步骤401判断是否存在实体单 元，如果不存在，则进入退出步骤405，不需提取表面网格；如果存在，进入步骤402，选择需 要提取的实体单元；之后进入步骤403，取实体单元数Nt，使I=I (I是一个计数器，所有板 壳单元都处理完后即I=Nt时，完成处理)，进入步骤404，判断计数器是否等于Nt，即判断是 否所有实体单元都处理完毕，是则进入步骤405，结束实体单元网格提取流程；否则进入步 骤406，提取第I个实体单元，进入步骤407，提取该实体单元的外表面数Ns，进入步骤408， 计数器J=l，判断第J是否为该实体单元外表面数，是则计数器1+1，进行步骤404 ；否则进 入步骤409，选择J表面的所有单元结点，进入步骤410对J表面的单元结点进行排列重组， 然后进入步骤411输出单元结点信息；然后将计数器J加1，回到步骤407，判断是否需要处 理第1+1个单元。
5.根据权利要求4所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述提 取外表面单元的流程是，首先进行步骤501取实体单元信息；然后进行步骤502对每一个体 单元，取它的面信息；接着进行步骤503，判断每一个面是否只存在于一个实体单元上，如 果不是，执行步骤505，则表明该面是单元的外表面，保存该面单元，然后执行步骤506判断 下一个实体单元；如果是，执行步骤504，则表明该面是单元的内表面，直接删除，然后执行步骤506判断下一个实体单元；这样处理完全部的体单元，即可得到一个实体结构的外表面单元信息。
6.根据权利要求2所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述的 其中三角化处理中存在四边形面单元，要把一个四边形分成两个三角形，两个三角形不能交叠。
7.根据权利要求1所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述的 电磁分析需要根据频率细化网格。
8.根据权利要求1所述的多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是所述的 温度分析要在导入三角面片的基础上继续划分六面体网格，并且对空气也需要划分网格； 最后设置材料属性，边界条件和各种激励即可开始分析计算。
全文摘要
本发明涉及一种多学科优化设计中的模型处理与转换技术，特别是高密度机箱的结构、电磁、热耦合分析中多学科优化设计中的网格转换方法，其方法特征是它通过如下步骤完成1)首先将参数化CAD实体模型导入到结构分析模型中进行结构分析；2)在结构分析完成后，输出含有全部结点的坐标、位移和单元信息的结构网格文件；3)将结构网格文件输入到热分析网格和电磁分析网格进行热和电磁分析。它提供了一种当确定了每个物理场使用的具体算法甚至分析软件时，通过一套离散网格传递变形信息实现多学科优化设计中的网格转换方法。
文档编号G06F17/50GK102063532SQ201010604628
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者张卓, 徐达人, 曾巍, 李鹏, 杜敏, 段宝岩, 罗先义, 胡凯博, 马伯渊 申请人:西安电子科技大学