一种壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构快速有限元建模方法与流程

本发明涉及航空航天结构主承力构件设计领域，提供一种壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构有限元快速建模方法。

背景技术：

由于三角形网格加筋结构的承载效率高等优势，壁板焊接三角形网格加筋结构形式广泛应用于我国新研制运载火箭贮箱筒段中。壁板焊接三角形网格加筋结构一般由几块三角形网格加筋壁板(曲板)拼焊而成。由于机械铣工艺在轻质化上的作用，单块壁板一般由板材磙弯后机械铣出网格或先铣出网格后磙弯而成。本发明以上两种工艺均适用。

壁板焊接三角形网格加筋结构强度分析一般采用有限元方法分析。有限元分析中占用设计员时间最多的是其中的有限元建模过程。建立壁板焊接三角形网格加筋结构有限元模型的常规方法主要有两种：一种是通过三维cad模型直接导入建立cae模型的方式，但该方式只能建立实体有限元模型，模型规模较大，且划分网格效率较低；一种采用直接在有限元软件中直接建立几何圆柱壳，并采用螺旋旋转面方式建立筋条几何模型，该建模方法则经常遇到多个面相交产生小面，无法划分有限元网格或有限元网格质量较差的问题，建模效率也较低。本文提出一种基于节点映射的壁板焊接三角形网格加筋结构有限元建模方法，该方法可以避免上述两种方法的问题，快速生成高质量有限元网格。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提高壁板焊接三角网格加筋结构的有限元建模速度，便于后续对壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构体进行快速有限元分析，设计出符合要求的三角形网格加筋贮箱结构等。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构快速有限元建模方法，该快速有限元建模方法针对网格加筋柱壳结构，先建立平面展开有限元模型，再通过节点坐标变化的方式生成网格加筋柱壳结构有限元模型。在具体建立平面展开有限元模型时，通过建立三角形网格单胞阵列复制等方式，快速生成高质量有限元网格。所述的三角形网格加筋结构的快速有限元建模方法包括以下步骤：

第一步，将壁板焊接机械铣三角形网格加筋壁板展开到平面，计算展开后的周长2πr。

第二步，由于壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构的周期性，可以通过建立单个三角形网格胞元再阵列复制等方式实现快速建模。具体步骤如下：

2.1)建立蒙皮模型；

2.2)根据壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构的壁板数量建立壁板分区模型；

2.3)根据三角形网格几何尺寸，拉伸建立三角形网格胞元模型；

2.4)对三角形网格胞元进行双方向阵列复制，得出单块三角形壁板模型；

2.5)对单块壁板进行环向阵列，得出壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构的平面展开模型。

第三步，划分第二步2.5)得到的平面展开模型后，得到壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构壳的有限元网格。

第四步，通过节点编辑工具，将第三步得到的有限元网格的节点从平面映射到柱面，形成壁板焊接机械铣三角形网格加筋柱壳的有限元网格模型。所述的节点坐标映射关系如下：

其中，(x0，y0，z0)为节点在平面展开模型上的坐标，(x′,y′,z′)为该节点映射到柱壳模型上的坐标。所述的壁板焊接机械铣三角形网格加筋柱壳的有限元网格模型由多个壳单元组成。

也可以通过循环程序，对三角形网格加筋中每一个节点，读取其平面坐标值(x0,y0,z0)，按照节点坐标映射关系的公式，将节点坐标设置为(x′,y′,z′)。

第五步，对壳单元进行属性定义，具体为：蒙皮厚度ts、筋条厚度tw、焊接加厚区厚度th赋予相应的结构区域。

本发明的有益效果为：1)本发明采用柱面展开方法，将壁板焊接机械铣三角形网格加筋圆柱壳结构变为简单的平板结构，简化了建模过程，提高了建模效率，而且避免了直接在柱面建模时由于在多个面交界处出现小面导致无法划分网格的情况，划分出的网格质量较高。2)采用胞元阵列和复制方式建立平面展开状态三角形网格加筋壁板有限元模型，提高了建模效率。

附图说明

图1为壁板焊接三角形网格加筋贮箱筒段示意图；

图2(a)为壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构筒段的展开示意图；

图2(b)为图2(a)中i局部放大图；

图2(c)为图2(b)中a-a截面剖面图；

图2(d)为图2(b)中c-c截面剖面图；

图3为蒙皮模型几何尺寸图；

图4蒙皮模型上建立的壁板分区模型示意图；

图5为三角形网格胞元模型图；

图6为单块壁板模型图；

图7为通过本方法建立的三角形网格加筋结构平面展开模型图；

图8为从平面网格模型映射到圆柱面网格模型示意图；

图9(a)为本方法建立的壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构有限元模型；

图9(b)为图9(a)局部放大图；

图中，r为壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构外表面半径；2πr为结构周长；l为结构总长度，nz为筒段数量，l/nz为单个筒段长度；bh为焊接边宽度；bs为等边三角形网格尺寸：nt为单个筒段壁板数量，2πr/nt为单个筒段壁板周长；h为筋条高度；th为焊接边厚度：tw为筋条厚度；ts为蒙皮厚度。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构的典型产品如图1所示。其结构形式为薄壁圆筒加筋结构，一般通过多块壁板通过环向焊接、轴向焊接而成。

壁板焊接机械铣三角形网格加筋单块壁板为等边三角形周期性结构，其结构可以通过一组参数来表征，如图2(a)-图2(d)中所示。

其中，壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构设计参数如下：

结构高度：l

筒段数量：nz

单个筒段壁板数量：nt

焊接边宽度：bh

等边三角形网格尺寸：bs

筋条高度：h

焊接边厚度：th

筋条厚度：tw

蒙皮厚度：ts

本发明方法在abaqus软件中可以得到更方便的应用，下面以abaqus软件为例，对本发明方法进行详细说明，具体步骤如下：

第一步，将壁板焊接机械铣三角形网格加筋壁板展开到平面，计算展开后的周长2πr。

第二步，建立展开后的壁板焊接三角形网格加筋结构壳模型，由于三角形网格加筋结构的周期性，可以通过建立单个三角形网格胞元再阵列复制等方式实现快速建模。具体步骤如下：

2.1)建立蒙皮模型如图3所示。

2.2)根据壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构的壁板数量建立壁板分区模型，拉伸出壁板焊接边缘环纵筋如图4所示。

2.3)根据三角形网格几何尺寸，拉伸建立三角形网格胞元模型如图5所示。

2.4)对三角形网格胞元进行双方向阵列复制，得出单块三角形壁板模型如图6所示。

2.5)对单块壁板进行环向阵列，得出壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构的平面展开模型如图7所示。

第三步，划分第二步2.5)得到的平面展开模型后，得到壁板焊接机械铣三角形网格加筋结构壳的有限元网格。

第四步，通过节点编辑工具，将第三步得到的有限元网格的节点从平面映射到柱面，形成壁板焊接机械铣三角形网格加筋柱壳有限元网格模型如图8所示。节点坐标映射关系如下。

其中(x0,y0,z0)为节点在平面展开模型上的坐标，(x′,y′,z′)为该节点映射到柱壳模型上的坐标。

具体实施过程可以通过循环程序，对网格加筋结构中每一个节点，读取其平面坐标值(x0,y0,z0)，按照上述公式，将节点坐标设置为(x′,y′,z′)。

第五步，对壳单元进行属性定义，具体为：蒙皮厚度ts、筋条厚度tw、焊接加厚区厚度th赋予相应的结构区域。具体实施过程中可以通过abaqus软件中建立群组(set)等工具的辅助，更快速实现壳单元属性定义。

通过本方法建立的壁板焊接三角形网格加筋结构有限元模型如图9(a)和图9(b)所示。