一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法
【专利摘要】本发明公开一种充气展开织物的工作过程有限元分析方法，首先基于间接变形原理进行织物逆向折叠建模得到折叠模型，其次采用有限元方法对折叠模型进行充气展开计算，实现复杂充气展开织物的工作过程有限元仿真；逆向折叠建模主要步骤为：（1）建立完全展开状态的织物有限元网格模型；（2）在有限元网格模型上选择变形策略；（3）进行基于间接变形原理的插值偏移,使变形区域内的节点响应约束点偏移；（4）对网格质量进行检测，获得折叠状态的织物网格模型。该方法首次采用间接变形思想将完全展开状态下的织物模型逆向变形至折叠状态，有效解决了外形或折叠方式复杂情况下的织物建模问题，使得复杂折叠织物展开过程数值仿真成为可能。
【专利说明】一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，属于航空救生【技术领域】。
【背景技术】
[0002]充气展开织物(如降落伞、气囊)由于其存储空间小、成本低、工作效率高的优点，被广泛应用于航空、航天等领域。充气展开织物在气流作用下剧烈变化的强非线性工作特点决定了其折叠展开过程成为最关键和最危险的一个环节。因此对复杂充气展开织物或采用特殊折叠方式的充气展开织物的工作过程进行有限元分析，是亟需解决的技术问题。但是织物折叠建模是充气展开织物工作过程有限元分析首先要解决的问题。目前现有网格折叠方法需要大量经验，直接计算折痕或褶皱的位置坐标，只适用于简单折叠织物的建模。对于一些更复杂的充气织物或者其他特殊折叠方式建模，几乎无法用传统方法实现。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中涉及的如何在对复杂充气展开织物或采用特殊折叠方式的充气展开织物的工作过程进行有限元分析，提出一种充气展开织物工作过程有限元分析方法。
[0004]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:
[0005]一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，首先基于间接变形原理进行织物逆向折叠建模得到折叠模型，其次采用有限元方法对折叠模型进行充气展开计算，实现复杂充气展开织物的工作过程有限元仿真；其中所述逆向折叠建模过程如下:
[0006]步骤一:使用壳单元对展开状态织物进行网格划分，建立完全展开状态下的织物有限元网格模型；
[0007]步骤二:选择变形策略，即在织物有限元网格模型上指定约束节点、空间偏移量、变形区域的网格单元以及变形边界上的节点；
[0008]步骤三:对变形区域内的网格节点进行基于间接变形原理的插值偏移，使变形区域内的节点响应约束点偏移；
[0009]步骤四:单元质量检测；
[0010]对变形后的网格质量进行检测，如果网格质量不合格，重新选择变形策略，再次重复步骤二至步骤三，直至变形后的网格质量达到要求。
[0011]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，所述有限元方法为控制体积法或流固耦合方法。
[0012]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，所述壳单元为三角形单元或者四边形单元。
[0013]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，步骤二和步骤三的具体过程为:[0014]根据实际折叠方式，定义网格模型上某节点作为约束点P，并根据空间偏移量得到偏移后约束点P%变形区域网格节点Q构造成一个三角形APP*Q，S ΛΡΡ%!所在平面与变形区域边界I相交于一点Q。，采用Qc^P'P这三点构造一个新的三角形Λ PP^ ；
[0015]在上述P点、P*点和Q。点所构成的三角形Λ PP*QC,设点Qp为点Q在直线QcP的投影，计算出变形区域网格节点Q的偏移权重t，计算公式为:
[0016]t= I Qp (x, y, ζ) -P (x, y, ζ) | / | Qc (x, y, ζ) -P (χ, y, ζ)(I)
[0017]根据偏移权重t计算出点Q在直线/ρ上相应的点坐标:
[0018]
Qp (-、、y,z) = t-Qc (jc, ν, ζ) + (I — f).P* (x, y,z)(2)
[0019]而网格节点Q变形后的最终空间坐标为:
[0020]
Q'(-^ V,i) = Ql(x,}\z) + |ρ(Λ.,.V.z)-QT(χ..V.ζ)|.Λ(3)
[0021]其中，矢量Qp(x, y, z)表示点 Qp 的空间坐标，P(x, y, z)、Qc(x, y, ζ)、Ρ*(χ, y, ζ)、Q*(χ, y, ζ)、Ql(x,y,z)、Qp (χ, y, ζ)分别表示点P、点Q。、点P'点Q'点ζξ、点Qp的空间坐标；
η为点fij处的法向矢量；
[0022]若存在多约束APn，则单独计算点Q在各个约束点影响下的偏移量，最后对所有偏移量进行平均计算。
[0023]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，所述交点Q。的坐标通过单元边插值获得。
[0024]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，在步骤四中是采用雅克比行列式对变形后的网格质量进行检测。
[0025]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，还包括步骤五:对不适合采用基于间接变形的逆向折叠建模的部分，应该采用其他方法处理，如坐标变换方法，流固耦合方法。
[0026]作为本发明的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法进一步的优化方案，还包括步骤六:采用修正应力对间接变形产生的误差进行修正，具体为:
[0027]将展开状态的网格作为参考网格，而折叠后的网格作为映射网格，比较两套网格之间的差异，计算出修正应力，在折叠后的网格上施加修正应力，保证折叠模型充气展开后和展开模型相同。
[0028]本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有的优点在于:
[0029]本发明完全摒弃原有直接计算折痕或褶皱节点坐标的思想，而是采用间接的手段获得折痕或褶皱的位置:定义变形区域、约束点及空间偏移量，假定约束点发生偏移，而其余相邻节点在约束点的“拉扯”下也发生一定的位移，并且距离约束点越近，偏移越大，那么网格模型完全可以从展开状态变形至折叠状态。本发明正是基于这种间接折叠建模思想实现了复杂充气展开织物的工作过程有限元仿真，完全克服了现有折叠建模方法无法适应复杂折叠建模的缺点，通过计算发现，本发明完全满足工程需要，可以节约实物试验测试，为充气织物设计提供参考。【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是气囊模型整体示意图。
[0031]图2是气囊几何模型和分片示意图。
[0032]图3是气囊网格模型示意图。
[0033]图4是约束面的示意图。
[0034]图5是图4的局部放大图。
[0035]图6是多约束点定义示意图。
[0036]图7是间接变形定义示意图。
[0037]图8是变形区节点偏移方法不意图。
[0038]图9是单元变形示意图之一。
[0039]图10是单元变形示意图之二。
[0040]图11是单元变形示意图之三。
[0041]图12是单元变形示意图之四。
[0042]图13是嚢体中部第一段变形图。
[0043]图14是嚢体中部第二段变形图。
[0044]图15是嚢体中部第三段变形图。
[0045]图16是囊体中部单元节点Z向坐标进行比例缩小示意图。
[0046]图17是囊体头部单元节点Z向坐标向下平移示意图。
[0047]图18是最终折置I旲型不意图。
[0048]图19是折叠模型充满时外形图。
[0049]图中标号解释:1-变形区，2-非变形区，3-变形区边界I，4-约束面。
[0050]图20是本发明的整体方法流程图。
【具体实施方式】
[0051]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0052]首先，参考图20所示，本发明的充气展开织物工作过程的有限元分析方法整体流程如下:
[0053]首先基于间接变形原理进行织物逆向折叠建模得到折叠模型，具体如下:
[0054]步骤一:使用壳单元(如三角形单元或者四边形单元等)对展开状态织物进行网格划分，建立完全展开状态下的织物有限元网格模型。
[0055]步骤二:选择变形策略，即在织物有限元网格模型上指定约束节点、空间偏移量、变形区域的网格单元以及变形边界上的节点。
[0056]步骤三:对变形区域内的网格节点进行基于间接变形原理的插值偏移，使变形区域内的节点响应约束点偏移。
[0057]步骤四:单元质量检测；对变形后的网格质量进行检测(如采用雅克比行列式)，如果网格质量不合格，重新选择变形策略，再次重复步骤二至步骤三，直至变形后的网格质量达到要求。
[0058]步骤五:对不适合采用基于间接变形的逆向折叠建模的部分，采用其他方法处理，其他方法包括坐标变换方法、流固耦合方法。
[0059]步骤六:采用修正应力对间接变形产生的误差进行修正，具体为:
[0060]将展开状态的网格作为参考网格，而折叠后的网格作为映射网格，比较两套网格之间的差异，计算出修正应力，在折叠后的网格上施加修正应力，保证折叠模型充气展开后和展开模型相同。
[0061]其次，采用有限元方法(如控制体积法或流固耦合方法)对折叠模型进行充气展开计算，实现复杂充气展开织物的工作过程有限元仿真。
[0062]为证明本发明的可行性，以某种特种气囊(图1所示)作为算例，对本发明的实施进行详细论述:
[0063]第一步:使用壳单元对展开状态织物进行网格划分，建立完全展开状态下的织物有限元网格模型以及用于约束的几何面；
[0064]首先，从点一线一面建立几何模型，其中尾部根据工程要求直接建立折叠状态的几何模型，而中段囊体进行分片处理并建立折痕(图2);最后采用三角形和四边形的混合网格划分几何模型(图3)，当然也可以全部使用三角形网格或者四边形网格。
[0065]其次，为了使单元节点发生精确变形偏移，防止出现初始穿插或重叠，本发明对变形域中所有节点采取全间接变形。根据实际折叠，采用点一线一面的顺序建立约束面，约束面与上述几何模型互相穿插(图4)，使每个分片约束面与图2中的几何分片一一对应(图5)。
[0066]第二步:选择变形策 略，即在织物有限元网格模型上指定约束节点、空间偏移量、变形区域的网格单元以及变形边界上的节点；
[0067]将图6中所示单元设为变形区域，将弧线@上各点作为约束点，设各约束点按原
排列顺序依次投影至线I1?，其中，设点P1投影至点P1*位置，点P2投影至点P/位置，而其余各点保持等间距投影到直线相应位置，这样就可以同时指定多个约束节点及其空间偏移量。
[0068]第三步:对变形区域内的网格节点进行基于间接变形原理的插值偏移，使变形区域内的节点响应约束点偏移；
[0069]对织物单元节点空间坐标的改变，不是采用基于虚功原理的有限元计算，而是将有限元网格图形化处理。如果使第二步中定义的约束点发生偏移，而其余相邻节点在约束点的“拉扯”下也发生一定的位移，并且距离约束点越近，偏移越大，那么网格模型完全可以从展开状态变形至折叠状态。
[0070]定义网格模型上某节点作为约束点P，并根据空间偏移量得到偏移后约束点P'变形区域网格节点Q构造成一个三角形ΛΡΡ% (图7)，设Λ PP*Q所在平面与变形区域边界I相交于一点Q。，采用Q。、P'P这三点构造一个新的三角形ΛΡΡ\ (图8)；
[0071]在上述P点、P*点和Q。点所构成的三角形Λ PP*QC,设点Qp为点Q在直线QcP的投影，计算出变形区域网格节点Q的偏移权重t，计算公式为:
[0072]t= I Qp (x, y, z) -P (x, y, z) | / | Qc (x, y, z) -P (x, y, z)(I)
[0073]根据偏移权重t计算出点Q在直线/frp上相应的点^坐标:
[0074]
【权利要求】
1.一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:首先基于间接变形原理进行织物逆向折叠建模得到折叠模型，其次采用有限元方法对折叠模型进行充气展开计算，实现复杂充气展开织物的工作过程有限元仿真；其中所述逆向折叠建模过程如下: 步骤一:使用壳单元对展开状态织物进行网格划分，建立完全展开状态下的织物有限元网格模型； 步骤二:选择变形策略，即在织物有限元网格模型上指定约束节点、空间偏移量、变形区域的网格单元以及变形边界上的节点； 步骤三:对变形区域内的网格节点进行基于间接变形原理的插值偏移，使变形区域内的节点响应约束点偏移； 步骤四:单元质量检测； 对变形后的网格质量进行检测，如果网格质量不合格，重新选择变形策略，再次重复步骤二至步骤三，直至变形后的网格质量达到要求。
2.根据权利要求1所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:所述有限元方法为控制体积法或流固耦合方法。
3.根据权利要求1所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:所述壳单元为三角形单元或者四边形单元。
4.根据权利要求1所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:步骤二和步骤三的具体过程为: 根据实际折叠方式，定义网格模型上某节点作为约束点P，并根据空间偏移量得到偏移后约束AP*，变形区域网格节点Q构造成一个三角形APP*Q，设ΛΡΡ%所在平面与变形区域边界I相交于一点Q。，采用Q。、P'P这三点构造一个新的三角形Λ PP^ ； 在上述P点、P*点和Q。点所构成的三角形ΛΡΡ%!。，设点Qp为点Q在直线QcP的投影，计算出变形区域网格节点Q的偏移权重t，计算公式为:
t= I Qp (χ, y, z) -P (χ, y, z) / | Qc (x, y, z) -P (x, y, z)(I) 根据偏移权重t计算出点Q在直线Ifcf上相应的点0;坐标:z) = t- Q^(x,y, 2) + (I — ?) Ρ*{χ, y,z)(2) 而网格节点Q变形后的最终空间坐标为:= βρ(x.,ν%z) + |β(Λ%.V-,?) ^ Qp(x%.V,ζ)|.n(3) 其中，矢量 Qp (χ, y, ζ)表示点 Qp 的空间坐标，P (x, y, z)、Qc (x, y, ζ)、P* (χ, y, ζ)、Q*(χ, Y, ζ)、Ql(x,y,z)、Qp (χ, Y, ζ)分别表示点 P、点 Qc、点 P*、点 Q*、点Q;、点 Qp 的空间坐标；η为点β;处的法向矢量。
5.根据权利要求4所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:若存在多约束点Pn，则单独计算点Q在各个约束点影响下的偏移量，最后对所有偏移量进行平均计算。
6.根据权利要求4所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:所述交点Q。的坐标通过单元边插值获得。
7.根据权利要求1所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:在步骤四中是采用雅克比行列式对变形后的网格质量进行检测。
8.根据权利要求1所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:还包括步骤五 :对不适合采用基于间接变形的逆向折叠建模的部分，采用其他方法处理，其他方法包括坐标变换方法、流固耦合方法。
9.根据权利要求1所述的一种充气展开织物工作过程的有限元分析方法，其特征在于:还包括步骤六:采用修正应力对间接变形产生的误差进行修正，具体为: 将展开状态的网格作为参考网格，而折叠后的网格作为映射网格，比较两套网格之间的差异，计算出修正应力，在折叠后的网格上施加修正应力，保证折叠模型充气展开后和展开模型相同。
【文档编号】G06F17/50GK103544347SQ201310488110
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】程涵, 余莉, 展亚南, 严晓雪, 冯云明, 陈潇 申请人:南京航空航天大学