基于表面单元的面载荷处理方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及面载荷处理领域，具体而言，涉及基于表面单元的面载荷处理方法及 装置。
【背景技术】
[0002] 有限元仿真广泛应用于工业设计领域，如机械、能源、航空航天等。不同类型的单 元（Elements)是有限元程序计算的核心组件，它用来描述一个微小空间区域内的物理特 性和几何特性，并且将不同类型的载荷化简为计算需要的代数方程的系数。单元是实现应 力应变场、电磁场、温度场等物理场计算的基础。
[0003] 对于三维空间结构的计算主要通过三维实体单元（如四面体单元，六面体单元， 棱柱单元等）和板壳单元来实现。实体单元的面载荷可以是压强、温度、电势以及电流密度 等。计算过程中需要将这些面载荷转化为等效的结点载荷，最终都将等效的结点载荷转化 为总体代数方程的右端项。
[0004] 传统有限元仿真计算流程中，对单元面载荷的处理是放在单元内部进行处理的， 有限元前处理程序需要指定面载荷作用在某个单元的第几个面上，在计算过程中单元需要 根据不同的面载荷类型和不同的面的形状，实现不同的计算功能。由于面载荷可能有多种 复杂情况，面载荷的处理是单元功能实现中较为繁琐的部分。其中，面载荷的复杂情况包 括：根据面载荷作用范围的不同，面载荷可以分为面内载荷和面外载荷。根据面载荷大小的 空间分布不同，又可以分为均布载荷和非均布载荷。并且如果单元表面的形状不同（例如 三角形、四边形），对实体单元的计算方法也不相同。
[0005] 发明人在研宄中发现，现有技术中对不同类型的面载荷在一个单元内进行差异化 处理给单元计算带来许多麻烦。一个是存储载荷信息既要存储载荷作用的单元号又要存储 载荷作用的面序号，计算过程中需要根据这些信息查找所需要的几何信息，计算和查找过 程比较麻烦，容易出错。另一方面，不同几何形状的单元（如四面体单元，六面体单元，棱柱 单元等）的面载荷处理程序有许多重复的部分却不能复用，增大了程序代码维护的难度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供基于表面单元的面载荷处理方法及装置，能够简化对面载 荷进行处理的过程，并且实现代码了的复用，极大了降低了计算程序的维护开发成本。
[0007] 第一方面，本发明实施例提供了一种基于表面单元的面载荷处理方法，包括：
[0008] 在离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元；
[0009] 根据预设规则，生成表面单元与面载荷的关联关系；
[0010] 根据表面单元与面载荷的关联关系，确定表面单元的预设模型；
[0011] 根据预设模型，确定结点表面单元的结点数；
[0012] 根据表面单元的预设模型和结点数，生成前处理数据；
[0013] 根据预设的约束条件，对前处理数据进行求解，得到总体代数方程；
[0014] 对总体代数方程进行求解，得到结点位移，以便后续根据结点位移计算实体单元 对应的应力应变场。
[0015] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，在 离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元，包括：
[0016] 确定离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元的预设类型；
[0017] 按照预设类型将实体单元进行分解，得到预设模型实体单元；
[0018] 按照预设顺序，建立每一个预设模型实体单元对应的表面单元。
[0019] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种 可能的实施方式，其中，根据预设规则，生成表面单元与面载荷的关联关系，包括：
[0020] 根据预设规则，生成表面单元与预设模型实体单元的关联关系；
[0021] 根据表面单元与预设模型实体单元的关联关系，生成表面单元与面载荷的关联关 系。
[0022] 结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种 可能的实施方式，其中，根据预设的约束条件，对前处理数据进行求解，得到总体代数方程 包括：
[0023] 循环所有实体单元，计算每一个实体单元对应的刚度矩阵；
[0024] 循环所有表面单元，将每一个表面单元对应的面载荷均转换为等效结点载荷；
[0025] 将刚度矩阵和等效结点载荷进行总装，得到总体代数方程。
[0026] 结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种 可能的实施方式，其中，循环所有表面单元包括：
[0027] 根据表面单元与实体单元的关联关系以及实体单元的预设个数，对表面单元编 号；
[0028] 按照编号得到的表面单元号，循环所有表面单元。
[0029] 结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种 可能的实施方式，其中，将每一个表面单元对应的面载荷均转换为等效结点载荷包括：
[0030] 根据公式产=1 将作用在表面单元上的面分布力?转化为等效 结点力
[0031] 其中，Γ表示等效结点载荷对应的等效结点力；t表示作用在表面单元上面 载荷的分布力，且
【主权项】
1. 一种基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，包括： 在离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元； 根据预设规则，生成所述表面单元与所述面载荷的关联关系； 根据所述表面单元与所述面载荷的关联关系，确定所述表面单元的预设模型； 根据所述预设模型，确定所述结点表面单元的结点数； 根据表面单元的预设模型和结点数，生成前处理数据； 根据预设的约束条件，对所述前处理数据进行求解，得到总体代数方程； 对所述总体代数方程进行求解，得到结点位移，以便后续根据所述结点位移计算所述 实体单元对应的应力应变场。
2. 根据权利要求1所述的基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，所述在离散 化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元，包括： 确定离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元的预设类型； 按照所述预设类型将所述实体单元进行分解，得到预设模型实体单元； 按照预设顺序，建立每一个所述预设模型实体单元对应的表面单元。
3. 根据权利要求2所述的基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，所述根据预 设规则，生成所述表面单元与所述面载荷的关联关系，包括： 根据预设规则，生成所述表面单元与所述预设模型实体单元的关联关系； 根据所述表面单元与所述预设模型实体单元的关联关系，生成所述表面单元与面载荷 的关联关系。
4. 根据权利要求3所述的基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，所述根据预 设的约束条件，对所述前处理数据进行求解，得到总体代数方程包括： 循环所有所述实体单元，计算每一个所述实体单元对应的刚度矩阵； 循环所有所述表面单元，将每一个所述表面单元对应的面载荷均转换为等效结点载 荷； 将所述刚度矩阵和所述等效结点载荷进行总装，得到总体代数方程。
5. 根据权利要求4所述的基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，所述循环所 有所述表面单元包括： 根据所述表面单元与所述实体单元的关联关系以及所述实体单元的预设个数，对所述 表面单元编号； 按照编号得到的表面单元号，循环所有所述表面单元。
6. 根据权利要求5所述的基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，所述将每一 个所述表面单元对应的面载荷均转换为等效结点载荷包括： 根据公式
将作用在表面单元上的面分布力t转化为等效结点 力fe; 其中，r表示等效结点载荷对应的等效结点力；i表示作用在表面单元上面载 荷的分布力，且
表不面分布力在直角坐标系下的三个分 量；表示表面单元的空间区域，所述空间区域包括曲面和平面中的任意一种；N表示表面单元形函数矩阵；Ni，N2，N3，…，Nm为对应各个结点的形函数，4彡m彡8,且
7. 根据权利要求1所述的基于表面单元的面载荷处理方法，其特征在于，所述在离散 化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元之前，还包括： 根据测试对象的物理性质和几何区域，建立所述测试对象的几何模型； 对所述几何模型进行离散化处理，得到多个作用有面载荷的实体单元。
8. -种基于表面单元的面载荷处理装置，其特征在于，包括： 第一建立单元，在离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元； 第一生成单元，用于根据预设规则，生成所述第一建立单元建立的表面单元与所述面 载荷的关联关系； 第一确定单元，用于根据所述第一生成单元生成的所述表面单元与所述面载荷的关联 关系，确定所述表面单元的预设模型； 第二确定单元，用于根据所述第一确定单元确定的预设模型，确定所述结点表面单元 的结点数； 第二生成单元，用于根据第一确定单元确定的表面单元的预设模型和所述第二确定单 元确定的所述结点数，生成前处理数据； 第一求解单元，用于根据预设的约束条件，对所述第二生成单元生成的所述前处理数 据进行求解，得到总体代数方程； 第二求解单元，用于对所述第一求解单元得到的所述总体代数方程进行求解，得到结 点位移，以便后续根据所述结点位移计算所述实体单元对应的应力应变场。
9. 根据权利要求8所述的基于表面单元的面载荷处理装置，其特征在于，所述在离散 化处理得到的作用有面载荷的实体单元上建立表面单元，所述第一建立单元包括： 确定子单元，确定离散化处理得到的作用有面载荷的实体单元的预设类型； 分解子单元，按照所述确定子单元确定的所述预设类型将所述实体单元进行分解，得 到预设模型实体单元； 建立子单元，按照预设顺序，建立每一个所述分解子单元得到的所述预设模型实体单 元对应的表面单元。
10. 根据权利要求9所述的基于表面单元的面载荷处理装置，其特征在于，所述第一生 成单元包括： 第一生成子单元，用于根据预设规则，生成所述表面单元与所述预设模型实体单元的 关联关系； 第二生成子单元，用于根据所述第一生成子单元生成的所述表面单元与所述预设模型 实体单元的关联关系，生成所述表面单元与面载荷的关联关系。
【专利摘要】本发明提供了一种基于表面单元的面载荷处理方法及装置，包括在作用有面载荷的实体单元上建立表面单元；根据预设规则，生成表面单元与面载荷的关联关系；根据上述关联关系确定表面单元的预设模型；根据预设模型确定结点数；根据预设模型和结点数生成前处理数据；对前处理数据进行求解得到总体代数方程；对总体代数方程进行求解，得到结点位移以便根据结点位移计算对应的应力应变场，其利用表面单元进行载荷处理，能够带来以下好处：1、循环所有表面单元即可完成对面载荷的处理，简化了对面载荷的处理过程；2、所有不同类型的实体单元可以共用一种或少数几种表面单元完成边界条件的处理，实现表面单元功能代码复用，降低计算程序的维护开发成本。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104778325
【申请号】CN201510191027
【发明人】陈志福, 陈璞, 任燕翔, 李敏, 段斌, 屈凯峰
【申请人】北京云道智造科技有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月21日