专利名称：一种轮胎有限元二维网络划分的前处理方法
技术领域：
本发明涉及一种轮胎有限元二维网格划分的前处理方法，可用于有限元分析的前处理中，用于满足对于有限元前处理过程中网格的特殊需要。
背景技术：
轮胎是轿车、卡车、飞机等交通工具的不可或缺的部件，这些交通工具的性能与轮胎的特性密切相关。研究轮胎的力学性能、改进轮胎结构设计一直受到轮胎工业和汽车工程界的密切关注。对于大量不同的轮胎设计方案，采用传统实测的方法对轮胎的力学性能进行研究，不仅会造成大量经济成本上升，同时还会耗费大量时间和资源。而采用有限元分析的方法对其进行分析，可有效对各种设计方案进行优化，节省大量研发时间，进而选择其中最好的实施方案，创造更大的经济效益。在对轮胎进行有限元分析时都需要先对其进行前处理，在整个前处理过程中最重要的一步就是要对其进行网格划分。由于轮胎结构及材料分布的特殊性，在进行有限元仿真分析过程中，要求轮胎中某些材料分布必须满足规则且连续的要求，例如轮胎骨架材料的基体材料单元等。但是通常由商业有限元分析软件生成的单元都是杂乱无章的，在特定位置的单元是混乱无序的、形状不均匀，无法达到材料单元分布的要求，进而无法对轮胎进行有效的有限元分析，严重影响分析结果的准确性和有效性。虽然在这些商业软件中，都提供了单元的重新编排功能，但由于发生错位的单元数量很多，对其中不规则的单元进行再次调整时，会造成巨大工作量堆积和浪费大量的时间，极容易使人产生厌烦情绪，严重影响用户有限元分析的工作效率。同时由于网格划分质量的好坏直接影响着轮胎有限元分析结果的准确性，因此又不得不花费大量的时间对网格划分进行优化调整，使这个时间占到了整个前处理时间的80%以上。因此，为了达到适应轮胎中材料分布的特殊要求，成倍缩短轮胎有限元分析前处理网格划分 的时间，就需要发明一种新的二维网格划分前处理方法来实现对轮胎的网格进行合理的划分，并采用编程的方法，自动生成节点及单元，在达到有效分析的目的的前提下，成倍提高工作效率并使分析结果满足用户的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种在满足轮胎有限元分析要求的基础上，采用计算机辅助设计程序AutoCAD进行的轮胎有限元分析二维网格划分前处理方法。由本发明最终生成的结果DXF文件中包含了两条多义线:节点多义线和边多义线。将得到的DXF文件作为网格划分的输入文件，通过计算机编程语言Python实现对轮胎有限元网格的有效且合理的划分。本发明的原理:任何一个二维三角形或四边形有限元单元网格可以认为任何一个单元网格都是位于上下两条折线段之间，单元网格上所有的节点均位于上下两条折线段之上，这些折线段称之为横断线。因此，用两条多义线、点多义线和边多义线，来容纳所有节点信息和横断线信息。节点多义线包含了所有节点的坐标信息和节点的连接顺序，其功能在于确定节点的分布以及节点编号的生成顺序；边多义线中包含了所有横断线的起始节点，其功能在于将节点多义线中包含的所有节点信息划分为多条横断线。在确定所有节点的分布之后，可以通过相邻节点几何位置间的相互关系进而得到有限元网格。一种轮胎有限元二维网格划分的前处理方法，包含以下步骤:
第一步，清理轮胎结构图并绘制完整的轮胎材料分布图:在计算机辅助绘图程序AutoCAD中，打开轮胎的原始结构设计及材料分布草图，清除图中的文字说明、尺寸标注和其它不涉及结构和材料分布的辅助线，最终得到一个干净的图形；在此基础上，按照对轮胎结构设计中材料分布的要求，在图中绘制出不同材料分布之间的界限曲线，得到轮胎最终的材料分布图。第二步，添加辅助线并绘制单元草图:通过分析轮胎对各种材料对单元的需求情况，在图中绘制相应的横向或纵向多义线，同时添加横向辅助线、纵向辅助线和原有的材料分布界线相互保持垂直关系以便在图中形成一个个封闭且正规而不是扭曲的四边形或三角形的单元网格形状；其多义线的绘制方法为在轮胎内表面以内附近选择一点作为起点，在保证垂直的基础上，在相应的外表面之外选择一点作为终点绘制此辅助多义线；注意在胎肩部位时，此辅助多义线通常为折线；而在钢丝圈下半部分，由于对钢丝圈单元的要求，造成之后的辅助多义线通常并不是一条直线，而是需要进行弯转；完成之后检查生成的单元是否满足用户需求，并进行修改最终得到用户所需要的单元网格分布草图；此时在AutoCAD所形成的网格分布的几何信息就与最终轮胎进行有限元分析时所对应的单元及其节点几何信息一致。第三步，形成横断线并对其进行编号:定义横断线是由从轮胎内表面连接到外表面的辅助线与材料分界线和其它辅助线之间的交点依次相连接而成；横断线的起点为此辅助线与内表面的交点，终点为此辅助线与外表面的交点；选择轮胎的一个边界位置作为横断线的起始位置，然后按照一定的方向顺序，依次生成所有的横断线，同时将得到的横断线按生成的先后顺序由小及大进行编号。第四步，生成节·点多义线和边多义线:在AutoCAD中新建一层并在此层中新建一条多义线，按照横断线编号由小到大顺序，用此多义线将当前横断线的节点按照由起点到终点的先后顺序连接在一起，再将此横断线的终点与下一横断线的起点相连接，依次循环往下，直到所有的横断线都已连接，这条多义线就是节点多义线；新建另一层并在其中建立一条多义线，将横断线编号由小到大顺序，依次将用此多义线将当前横断线起始点连接到下一横断线的起点，循环进行直到最后一条横断线，这条多义线就边多义线。保证在新建的两层中各自都有且仅有一条多义线，并检查节点多义线以及边多义线是否是一条完整的多义线，是否在连接的过程中有漏掉节点或者断点的情况，若有则重新添加到相应的位置，对多义线进行补全。第五步，导出结果DXF文件:将节点多义线及边多义线导出到同一个DXF文件中，需要注意的是在个DXF文件中，有且仅有这两条多义线，而不含有其它一切AutoCAD中的曲线、点及文字的信息。以最终生成的DXF文件作为输入文件，采用计算机编程的方法生成一个可供商业有限元软件识别的有限元前处理信息文件，在这个文件中包含了所有节点的编号及几何信息、单元编号及其所对应的节点编号。节点编号的顺序是按照节点多义线中节点的连接顺序确定，单元编号的顺序按照单元的生成顺序确定。
本发明所提出的二维网格划分前处理方法，能将以前需要进行I天以上的工作时间缩短到仅仅I个小时左右，这样大幅度提高了工作效率，创造更多的经济效益。本发明的方法不仅仅适用于轮胎行业，还可广泛适用于密封行业、建筑行业等其它适合采用AutoCAD进行网格处理，并采用二维有限元分析方法进行仿真的行业。
图1是本发明的实施流程 图2是采用ABAQUS生成的轮胎网格 图3是导入AUTOCAD的轮胎轮廓 图4是在AUTOCAD中划分好的轮胎网格和横断线 图5是生成的两条多义线 图6是在ABAQUS中采用新方法生成的网格分布图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例
图1是本发明处理方法的实施流程图，下面以一个轮胎实例按本发明的处理方法提供的二维网格划分前处理过程进行具体说明。由于轮胎本身是一个轴对称图形，因此本实施例中取其一半进行实例讲解。为了对比说明通用有限元软件无法满足用户对单元网格的特殊要求，首先在有限元软件ABAQUS中绘制出轮胎的轮廓图，并按其网格划分模块自动生成分析单元网格。图2为在ABAQUS中自动生成的网格图，从图中可以看出在图形的中间部分，网格生成比较杂乱无章，根本无法满足轮胎对于材料的均匀规则及连续分布的要求，因而采用此单元网格进行有限元分析是不合理的。而在ABAQUS中对其网格逐个进行调整和修改的工作量巨大，将会耗费大量的时间，严重降低效率，不能满足实际工作中的需要。采用本发明根据图1所示的流程，将轮胎的原始结构设计图导入到计算机辅助设计程序AutoCAD中，首先对其进行清理，删除掉原始图中的尺寸标注、其它多余的文字信息以及和与结构及材料分布无关的曲线信息，只保留轮胎的初始材料分布和轮廓。接下来按照轮胎设计原理，添加剩余的材料并绘制不同材料之间的分界线，最终得到如图3所示的轮胎材料结构轮廓图。接下来在图中按照对于轮胎材料分布以及整体布局的要求，添加不同的横向和纵向辅助线，绘制轮胎进行有限元分析所需要的二维单元网格草图。图4中所示较粗线条均为添加的辅助线，通常情况下所添加的辅助线绘制方式均为由轮胎的内表面连接到轮胎的外表面的一条直线，并且尽可能得与原有的材料分界线保持垂直关系，但在一些地方应注意辅助线的绘制方式。如在轮胎的胎冠部分由于材料的形状太大，需要添加横向的辅助线来使生成的单元较小；在钢丝圈的下部分，由于钢丝圈影响和胎体材料必须是连接的要求，其辅助线并不是由一条直线所构成，而是由一系列的折线所组成。在本实施例中，以轮胎上部分最左面作为横断线的初始生成位置，按照横断线的生成方式，以较粗辅助线与内表面的交点作为横断线的起点，依次将此辅助线与材料分界线和其它辅助的交点连接起来，直至连接至与外表面的交点作为终点。按照从左往右和从上往下的顺序依次生成所有的横断线并对横断线进行编号。在AutoCAD中新建一个层命名为PT，在其中新建一条多义线，将横断线按照编号的大小顺序进行排列，并用此多义线将当前横断线上的节点按连接的先后顺序依次相连，在相邻横断线间由当前横断线的最后一个节点连接到下一横断线的起始节点，直到所有横断都串联在一起，形成一条完整无间断的这条多义线为节点多义线，如图5中所示较细曲线。然后再新建一层，命名为BN，在此层中新建一条多义线，按照横断线编号的大小顺序用这条多义线依次将其起始节点连接起来，这条多义线为边多义线，如图5中所示较粗曲线。由于节点多义线中包含了所有节点的坐标信息和编号信息，因此要注意检查连接过程中的是否有点遗漏，这将影响到最终单元 的生成的质量和完整性。而边多义线中包含了所有横断线的起始节点，用以区别将节点多义线的节点依次划分为不同的横断线，用于生成单元，因此，若出现遗漏，将会导致二维单元网格生成的大错乱。因此，在连接之后，重点检查这两条多义线是否出现漏点的问题，并保证在这新建的两个层中有且仅有各自的一条多义线。最后，将这两条多义线用DXF文件格式导出，注意在导出的时候不要将其它信息导出到此结果文件中。将此文件作为输入文件，采用编程的方法生成可被通用有限元分析软件ABAQUS所能识别的单元节点编号及几何信息。将此文件导入ABAQUS中可得到采用此方法生成的轮胎二维网格图，如图6所示。由图6中可以看出，采用新方法生成的网格图，网格形状是规则且合理的，能满足轮胎对材料分布的要求，可以进行有效的有限元分析，并且此分析的结果是有效且能被接受的。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，这些具体实施方式
都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种轮胎有限元二维网络划分的前处理方法，其特征在于: 第一步，清理轮胎结构图并绘制完整的轮胎材料分布图:在计算机辅助绘图程序AutoCAD中，打开轮胎的原始结构设计及材料分布草图，清除图中的文字说明、尺寸标注和其它不涉及结构和材料分布的辅助线，最终得到一个干净的图形；在此基础上，按照对轮胎结构设计中材料分布的要求，在图中绘制出不同材料分布之间的界限曲线，得到轮胎最终的材料分布图； 第二步，添加辅助线并绘制单元草图:通过分析轮胎中各种材料对单元的需求情况，在图中绘制相应的横向或纵向辅助线，同时使添加的辅助线和原有的材料分布界线相互保持垂直关系以便在图中形成一个个封闭且正规而不是扭曲的四边形或三角形的单元网格形状；其多义线的绘制方法为在轮胎内表面以内附近选择一点作为起点，在保证垂直的基础上，在相应的外表面之外选择一点作为终点绘制此辅助多义线；注意在胎肩部位时，此辅助多义线通常为折线；而在钢丝圈下半部分，由于对钢丝圈单元的要求，造成之后的辅助多义线通常并不是一条直线，而是需要进行弯转；完成之后检查生成的单元是否满足用户需求，并进行修改最终得到用户所需要的单元网格分布草图；此时在AutoCAD所形成的网格分布的几何信息就与最终轮胎进行有限元分析时所对应的单元及其节点几何信息一致； 第三步，形成横断线并对其进行编号:定义横断线是由从轮胎内表面连接到外表面的辅助线与材料分界线和其它辅助线之间的交点依次相连接而成；横断线的起点为此辅助线与内表面的交点，终点为此辅助线与外表面的交点；选择轮胎的一个边界位置作为横断线的起始位置，然后按照一定的方向顺序，依次生成所有的横断线，同时对得到的横断线按生成的先后顺序由小及大进行编号； 第四步，生成节点多义线和边多义线:在AutoCAD中新建一层并在此层中新建一条多义线，按照横断线编号由小到大顺序，用此多义线将当前横断线的节点按照由起点到终点的先后顺序连接在一起，再将此横断线的终点与下一横断线的起点相连接，依次循环往下，直到所有的横断线都已连接，这条多义线就是节点多义线；新建另一层并在其中建立一条多义线，将横断线编号由小到大的顺 序，依次将用此多义线将当前横断线起始点连接到下一横断线的起点，循环进行直到最后一条横断线，这条多义线就是边多义线；保证在新建的两层中各自都有且仅有一条多义线，并检查节点多义线以及边多义线是否是一条完整的多义线，是否在连接的过程中有漏掉节点或者断点的情况，若有则重新添加到相应的位置，对多义线进行补全； 第五步，导出结果DXF文件:将节点多义线及边多义线导出到同一个DXF文件中，需要注意的是在这个DXF文件中，有且仅有这两条多义线，而不含有其它一切AutoCAD中的曲线、点及文字的信息。
全文摘要
本发明提供了一种轮胎有限元二维网络划分的前处理方法。本发明第一步，清理轮胎结构图并绘制完整的轮胎材料分布图；第二步，添加辅助线并绘制单元草图；第三步，形成横断线并对其进行编号；第四步，生成节点多义线和边多义线；第五步，导出结果DXF文件。以最终生成的DXF文件作为输入文件，在这个文件中包含了所有节点的编号及几何信息、单元编号及其所对应的节点编号。本发明的二维网格划分前处理方法，能将以前需要进行1天以上的工作时间缩短到仅仅1个小时左右，大幅度提高了工作效率。本发明不仅仅适用于轮胎行业，还适用于密封行业、建筑行业等其它适合采用AutoCAD进行网格处理，并采用二维有限元分析方法进行仿真的行业。
文档编号G06F17/50GK103246792SQ20131021277
公开日2013年8月14日 申请日期2013年6月1日 优先权日2013年6月1日
发明者王友善, 苗常青, 谢志民 申请人:哈尔滨工业大学