一种ansys中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气动光学效应研宄领域，涉及一种ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩 有限元模型的建立方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的迅速发展，研宄发现飞行器二次曲面光学头罩在复杂气动热环境 下具有比球形头罩更小的阻力和更好的成像质量，因而深入研宄其气动性能对于指导飞行 器头罩的外形设计具有重要的意义，同时也为气动热环境下高速飞行器外流场和头罩光传 输仿真分析和头罩热辐射计算提供数据支持。
[0003] 气动热环境下二次曲面光学头罩由于热传导和热应力等效应导致头罩材料的外 形和光学性质发生变化，进而影响来自目标的红外辐射光线传输，使得高速飞行器成像探 测系统对目标图像产生像模糊、抖动、偏移和能量衰减，最终将严重影响高速飞行器的探测 性能。飞行器在大气层中高速飞行时其头罩与来流之间发生剧烈的相互作用，头罩温度升 高，使光学成像探测系统处于复杂的气动热环境中，这种效应称为飞行器光学头罩气动热 效应。要想分析二次曲面光学头罩气动热效应，我们需要先建立其有限元分析模型，然后利 用有限元分析软件ANSYS对头罩进行热-结构耦合计算，对应分析其气动热效应。
[0004] 在ANSYS前处理器中的模型建立模块，可以直接通过用户界面建立的模型种类较 少。常见的可以直接利用ANSYS中现有的建模工具进行建模的只有像等厚度球形头罩，长 方体平板侧窗等较普遍、较规则的形状，对于一些较复杂的面形以及多形状拼接的模型，在 ANSYS中直接建立模型比较困难。但是随着科技的发展，飞行器的头罩种类已经从球形向 上述的二次曲面（也称共形）、多形状拼接型（例如球锥型），以及自由曲面等方向发展。 要想对飞行器高速飞行状态下的外流场以及其自身进行分析，有限元分析模型的正确建立 是其前提条件。但是在不借助其他如SolidWorks、Proe、UG等相关建模软件的帮助下，在 ANSYS中直接建立飞行器等厚度二次曲面头罩有限元模型、多形状拼接头罩有限元模型比 较困难。本发明提出了一种在ANSYS中采用自底向上建立等厚度二次曲面头罩有限元模型 的方法，其中所建立的二次曲面面形包括椭球面形与抛物面形。
【发明内容】
[0005] 为了解决在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型难的问题，使得以后对 于二次曲面光学头罩的热结构耦合计算从实体模型到有限元模型的建立、热力学边界条件 的加载以及到整体热-结构耦合计算的实现都可以在ANSYS中进行而不必借助其他实体 模型建立软件，本发明提供了一种ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方 法。在本发明中，采用ANSYS-APDL语言开发了一种自底向上建立等厚度二次曲面光学头罩 有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面光学头罩有限元模型包括抛物面有限元模型与 椭球面有限元模型。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种ANSYS中等厚度二次曲面头罩有限元模型的建立方法，包括以下步骤：
[0008] -、确定二次曲线方程，并将其转化为函数形式
[0009] 根据要建立的二次曲面光学头罩有限元模型的基本参数，对其立体模型在XY平 面进行投影，确定该平面上内外侧二次曲线方程，并将其转换为函数形式。
[0010] 在本发明中，所建立的二次曲面光学头罩有限元模型包括椭球形与抛物面形两种 形状，对应的二次曲线方程包括椭圆方程与抛物线方程。建立平面直角坐标系，得到要建立 的椭球在XY平面的截面图，如图1所示，依据下边椭圆方程：
[0012] 式中，a--椭圆半长轴，b--椭圆半短轴。
[0013] 分别将内外侧特殊点数据带入上述参数方程，即得到内外侧两条部分椭圆曲线的 曲线方程。
[0014] 为了下一步建立一系列关键点，需要将得到的椭圆参数方程转化为如下的函数形 式：
[0016] 同理依据抛物线参数方程：
[0017] y=ax2+b
[0018] 式中：a，b均为系数。
[0019] 建立直角坐标系，如图2所示，依据所给抛物线基本技术参数，取特殊点数据带入 抛物线方程中，因而可以确定内外侧抛物线的曲线方程。
[0020] 到此，按照上述方法，已经成功按照给定的二次曲面头罩模型尺寸，建立了其在XY 方向上对应的曲线方程，并转化为函数表达形式。
[0021] 二、依据要建立模型的开口方向选定自变量并确定自变量的范围
[0022] 本发明所要建立的椭球面光学头罩与抛物面光学头罩开口均沿Y轴方向，根据由 步骤一所确定的椭圆与抛物线方程，在本发明中选择x为自变量，y为函数。根据头罩顶点 到底端面的距离，按照函数关系，我们可确定自变量的取值范围。
[0023] 三、基于ANSYS-APDL语言编写循环命令建立疏密分布的关键点
[0024] 为了使建立曲线的方法具有一般性，本发明采用描点连线法。依据步骤一、步骤二 所述的内容，本发明在ANSYS中利用APDL语言编写循环命令建立疏密分布的关键点。为了 保证获得的样条曲线光滑性好，应该取尽可能多的点，根据步骤二所确定的自变量范围，在 本发明中沿x轴方向取点的间隔为0. 001。在本发明中采用APDL语言编写循环命令，依靠 循环采用K命令建立一系列在X轴方向上间距为0. 001m的关键点。在本发明中所得到的 椭圆、抛物线内外侧关键点分布如图3-6所不。
[0025] 四、基于ANSYS-APDL语言使用B样条线段命令BSPLINE形成初步样条曲线
[0026] 在本发明中，对于上述所建立的关键点，依据描点连线法，利用ANSYS-APDL中 BSPLINE、*DO与*ENDDO命令逐个连接关键点形成B样条曲线。在本发明中，利用上述命令 得到的第一象限中内外侧椭圆与抛物线的样条曲线如图7-8所示。
[0027] 五、基于ANSYS-APDL语言对步骤四中的初步样条线进行线段的融合
[0028] 在步骤四中，通过使用BSPLIN命令，可以分别得到步骤一所建立的椭圆与抛物线 的B样条曲线，即由多段小线段所构成的曲线。为了后续能更简单快捷地利用线段形成平 面，我们需要对椭圆以及抛物线内外两侧的样条曲线进行线段的融合。由于在APDL的布尔 运算操作中，没有实现线段相加的命令，本发明中采用LCOMB实现多段线段的连接融合。通 过ANSYS-APDL中LCOMB、*DO与*ENDDO的配合使用，分别实现将两种曲线内侧样条线段的 连接融合，即之前的多段小线段经过该步骤后形成一条只有一个线段编号完整的曲线，两 种曲线线段连接融合后的示意图分别如图9-10所示。
[0029] 六、基于ANSYS-APDL语言连接步骤五中融合后的线段形成平面
[0030] 在本发明中采用线段连接命令L分别对两种曲线内外两侧曲线进行连接，到此我 们已经得到封闭的平面模型。接下来分别对两种模型中的线段采用APDL中的线段编号压 缩命令进行压缩，然后采用APDL中的A命令分别由上述四条首尾相连的线段形成对应的平 面，所形成的两个平面模型如图11-12所示。
[0031] 七、基于ANSYS-APDL语言对步骤六中所形成的面进行网格划分
[0032] 在本发明中，通过编写APDL命令对上述建立的平面模型的四条边界线进行网格 大小以及网格划分类型的控制，然后采用APDL中的AMESH命令划分网格，划分网格后的两 个平面模型分别如图13-14所示。
[0033] 八、基于ANSYS-APDL语言对步骤七中形成的有限元模型旋转成体
[0034] 经过步骤七得到有平面限元模型后，通过APDL中VROTAT命令控制该模型绕坐标 轴或是过两个特定关键点的直线旋转一定的度数，进而生成最终的有限元分析模型。具体 旋转的度数应按照实际模型来确定，在本发明中要建立的椭球形、抛物面形光学头罩有限 元模型是由图13-14所示的部分平面有限元模型旋转360度形成的。如果仅分析其中的一 部分，可以选择旋转0°到360°的任意角度来建立模型。在本发明中，最终建立的椭球面 形光学头罩与抛物面形光学头罩分别如图15-16所示。
[0035] 本发明方法的优点包括以下几个方面：
[0036] (1)本发明解决了在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型难的问题，使 得以后对于二次曲面光学头罩的热结构耦合计算从实体模型到有限元模型的建立、热力学 边界条件的加载以及到整体热-结构耦合计算的实现都可以在ANSYS中进行而不必借助其 他实体模型建立软件。
[0037] (2)本发明中整体的建模过程采用ANSYS批处理（Batch)方式，使得所发明的方法 对于二次曲面光学头罩的建立更具灵活性与普遍性，使用时可以依据实际情况仅修改APDL 语言的部分数据使得该发明方法适用于新的工况。
[0038] (3)本发明所提出的方法相比较直接采用用户界面进行分析的过程，避免了同一 类问题多次进行加载费事、费力、易错等缺点。
[0039] (4)本发明所提供的方法不仅针对二次曲面光学头罩有限元模型的建立过程，也 可以用于其他复杂回转对称模型的建立。对于其他复杂的回转对称面形，仍然可以采用本 发明中三维模型投影到平面，进而建立曲线方程，描点连线，利用封闭曲线形成面进而再旋 转到体的方法。
【附图说明】
[0040]图1为平面直角坐标系中要建立的椭球模型在XY平面的部分椭圆曲线示意图； [0041]图2为平面直角坐标系中要建立的抛物面模型在XY平面的部分抛物线示意图；
[0042] 图3为用APDL命令建立的外侧椭圆曲线上关键点的疏密分布图；
[0043] 图4为用APDL命令建立的内外侧椭圆曲线上关键点的疏密分布图；
[0044] 图5为用APDL命令建立的外侧抛物线上关键点的疏密分布图；
[0045] 图6为用APDL命令建立的内外侧抛物线上关键点的疏密分布图；
[0046] 图7为第一象限中内外侧椭圆样条曲线示意图；
[0047] 图8为第一象限中内外侧抛物线样条曲线示意图；
[0048] 图9为用APDL命令连接融合后的内侧椭圆样条曲线示意图；
[0049] 图10为用APDL命令连接融合后的内侧抛物线样条曲线示意图；
[0050]图11为利用内外侧椭圆曲线以及连接两条曲线的线段组成的平面模型；
[0051]图12为利用内外侧抛物线以及连接两条曲线的线段组成的平面模型；
[0052]图13为对由椭圆曲线构成的平面模型划分网格后的有限元模型示意图；
[0053]图14为对由抛物线构成的平面模型划分网格后的有限元模型示意图；
[0054] 图15为按照要求指标所建立的椭球形光学头罩有限元模型；
[0055] 图16为按照要求指标所建立的抛物线光学头罩有限元模