型；
[0056] 图17为在ANSYS中实现二次曲面光学头罩有限元模型建立的整体流程图。
【具体实施方式】
[0057] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0058] 本发明提供了一种在ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法， 其中本发明中所介绍的二次曲面光学头罩有限元模型包括椭球形光学头罩有限元模型与 抛物面形光学头罩有限元模型。如图17所示，具体内容介绍如下：
[0059] -、确定内外侧椭圆或抛物线方程，并将其转化为函数形式
[0060] 在本发明中，我们要建立的椭球形光学头罩尺寸为：
[0061] 长轴1 = 0? 2m，长径比c= 1，头罩顶点到底端距离d= 0?lm，头罩厚度h= 0. 005m，且该椭球模型的长轴沿着Y轴方向。
[0062] 依据上述所给出的头罩基本参数，建立如图1所示的平面直角坐标系，得到该椭 球在XY平面的截面图，依据图中外侧部分椭圆我们对应可得在X-Y平面上其外侧椭圆方程 可表示为：
[0064] 式中，a-一椭圆半长轴，b-一椭圆半短轴，则依据所给出的椭球形头罩基本参数 可知：a = 0. lm，b = 0. 05mm，将其带入上述方程可得XY平面上外侧椭圆方程：
[0066] 在本发明中，所选取的函数为y，自变量为x，所以上述方程的函数形式为：
[0068] 依据椭球厚度为0.005m，我们可得内侧椭圆半长轴a' = 0.095m，半短轴b' = 0. 045m，所以内侧椭圆方程为：
[0070] 其函数形式为：
[0072] 在本发明中，建立椭球有限元模型的第一步就是按照上述方法得到内外侧椭圆方 程，并将其转化成函数形式。
[0073] 对于抛物线方程的建立，与椭圆方程建立的过程相似。
[0074] 在本发明中，我们要建立的抛物面形光学头罩尺寸为：
[0075] 长径比c = 1，头罩顶点到底端距离d = 0? lm，头罩厚度h = 0? 005m，且该抛物面 形光学头罩有限元模型的开口方向沿着Y轴方向。
[0076] 依据椭圆方程的建立原理，如图2所示可分别得到抛物线的外内侧方程。外侧抛 物线方程为：
[0077] y= 40x2
[0078] 内侧抛物线方程为：
[0079] y= 0. 005+46. 9135082X2
[0080] 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。
[0081] 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
[0082] 根据步骤一，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为Y方 向，因此在本发明中选择x为自变量，y为函数。根据头罩顶点到底端面的距离，我们可确 定自变量的取值范围，如图1所示，外侧椭圆方程自变量x的取值范围为[0,0.05]，内侧外 侧椭圆方程自变量x的取值范围为[0,0. 045]。如图2所示，外侧抛物线方程自变量x的取 值范围为[0, 0.05]，内侧抛物线方程自变量x的取值范围为[0,0.045]。
[0083] 三、基于ANSYS-APDL语言编写循环命令建立疏密分布的关键点
[0084] 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。按照椭圆外侧方程，在第一象限（因为将通过面 旋转得到三维有限元模型，所以此时只需考虑第一象限内的曲线）将对应50个关键点，如 图3所示。同理，利用ANSYS-APDL语言编写循环命令建立与内侧椭圆方程相对应的45个 关键点，如图4所示。采用同样的方法，建立与步骤一所得到的抛物线内外侧方程相对应50 与45个关键点，抛物线内外关键点的分布如图5-6所示。
[0085] 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
[0086] 对于上述所建立的关键点，依据描点连线法，利用ANSYS-APDLBSPLINE、*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。
[0087] 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
[0088] 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。
[0089] 六、基于ANSYS-APDL语言连接步骤五中融合后的线段形成平面
[0090] 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。
[0091] 七、基于ANSYS-APDL语言对步骤六中所形成的面进行网格划分
[0092] 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。
[0093] 八、基于ANSYS-APDL语言对步骤七中形成的有限元模型旋转成体
[0094] 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。
【主权项】
1. 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，其特征在于所述方 法步骤如下： 一、 确定二次曲线方程，并将其转化为函数形式 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； 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 根据由步骤一所确定的方程，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，确定自变量的取值范围； 三、 基于ANSYS-APDL语言编写循环命令建立疏密分布的关键点 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轴方向上的关键 占. 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 对于步骤三所建立的关键点，依据描点连线法，利用ANSYS-APDL中BSPLINE、*D0与 *ENDDO命令逐个连接关键点形成B样条曲线； 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 通过ANSYS-APDL中LCOMB、*D0与*ENDDO的配合使用，实现将曲线内侧样条线段的连 接融合； 六、 基于ANSYS-APDL语言连接步骤五中融合后的线段形成平面 采用线段连接命令L对曲线内外两侧曲线进行连接，得到封闭的平面模型；接下来分 别对模型中的线段采用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 由上述四条首尾相连的线段形成对应的平面模型； 七、 基于ANSYS-APDL语言对步骤六中所形成的面进行网格划分 通过编写APDL命令对步骤六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； 八、 基于ANSYS-APDL语言对步骤七中形成的有限元模型旋转成体 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，进而生成最终的有限元分析模型。2. 根据权利要求1所述的ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法， 其特征在于所述步骤一中，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。3. 根据权利要求1所述的ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法， 其特征在于所述步骤三中，沿X轴方向取点的间隔为0. 001。4. 根据权利要求1所述的ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法， 其特征在于所述步骤五中，线段融合连接命令采用LC0MB。5. 根据权利要求1所述的ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法， 其特征在于所述步骤八中，平面模型旋转度数为360°。
【专利摘要】本发明公开了一种ANSYS中等厚度二次曲面光学头罩有限元模型的建立方法，其步骤如下：一、确定二次曲线方程，并将其转化为函数形式；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；三、基于APDL编写循环命令建立疏密分布的关键点；四、基于APDL使用B样条线段命令BSPLINE形成初步样条曲线；五、对步骤四中的初步样条线进行线段的融合；六、连接步骤五中融合后的线段形成平面；七、对步骤六中所形成的面进行网格划分；八、对步骤七中形成的有限元模型旋转成体。本发明所提出的方法解决了在ANSYS中直接建立二次曲面模型难的问题且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。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104933271
【申请号】CN201510413793
【发明人】薛文慧, 王惠, 党凡阳, 陈婷, 陈守谦, 张旺, 范志刚
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年7月15日