焊接混合双向过渡单元网格模型的建立方法与流程

本发明涉及焊接数值计算有限元分析CAE领域，特别涉及一种焊接有限元分析用混合双向过渡单元网格模型的建立方法。

背景技术：

有限元分析技术由于核心算法的不同可以分为显式和隐式两种计算分析类型(流体除外)。有限元分析以单元网格模型为有限元基础，相同单元数量下，显式计算的速度比隐式计算快很多，隐式计算每一步求解整个模型的刚度矩阵的平衡解；并且隐式计算随着网格单元数量的增加，计算时间成本呈指数增加。焊接有限元模拟属于隐式计算，采用热-力耦合有限元分析方法。由于焊接过程的局部高温与快冷，使得焊接模拟的过程中，为了获得较为准确的结果，在焊缝区域必须采用较为密集的网格单元，在远离焊缝区由于影响较小，可以采用较稀的单元分布，这样的疏密过渡以达到减少单元数量，在保证计算精度的同时降低计算成本的作用。

传统的采用等比数列节点分布的由密集到稀疏的过渡过程(只针对六面体)，单元数量较多，计算成本太大，在复杂的模型或是多层多道焊中并不实用。由此产生了过渡单元的网格划分方式，现有的单元过渡形式有单向过渡，分为2:1和3:1两种过渡方式；这种单向过渡方式存在以下几个问题：单元的长宽比较大；随焊缝区网格的加密，单元的长宽比非常大，单元数量较多，因此此单元只适用于厚度较小的模型、单元的层数不多、焊缝区不密集的焊接计算，不适用于厚板和焊缝区较为密集的有限元焊接计算。

为了解决上述问题，不完全双向过渡单元由此产生。不完全双向过渡单元解决了在焊缝区网格较密和焊接结构厚度较大时出现的单元奇异问题，单元的过渡效率较高。但是此单元网格模型也存在以下几个问题：同样存在长宽比较大的问题；在计算焊接残余应力和变形时，由于过渡单元网格的异向性，可导致计算结果精度较低；单元的灵活性不够好，无法根据实际的模型调整过渡方式实现灵活的处理。另外，现有的焊接有限元模型有3:1双向过渡单元，在厚度和宽度方向均为六面体3:1过渡，该网格的建立方式是采用C++编程开发，与商业软件相结合，能解决部分上述问题，但是还是存在单元建立的灵活度不够，在厚、薄焊接结构的有限元分析中通用性不强，且建立此单元模型有一定的难度。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种焊接混合双向过渡单元网格模型的建立方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种焊接混合双向过渡单元网格模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、建立三维焊接结构几何模型并将其划分为焊缝区、近焊区、过渡区和远焊区；

步骤二、进一步将几何模型划分为最小几何模型组元；

步骤三、将上述最小几何模型组元的过渡区部分进一步切分为长方体有限元胞体；

步骤四、将最小几何模型组元从远焊区到焊缝区依次进行实体有限元网格划分；

步骤五、将最小几何模型组元的有限元网格模型进行空间复制，与三维几何模型完全重合；

步骤六、将整个有限元模型合并重复节点，删除三维几何模型，完成建模。

其中，由远焊区至焊缝区，网格趋势为逐渐由疏至密；

所述划分的方法为：依托软件，进行手动操作划分单元，画出部分的网格单元，再使用脚本语言进行自动生成；

所述的最小几何模型组元应包含有焊缝区、近焊区、过渡区、远焊区四大区域；

在步骤三中，过渡区网格划分时，对胞体进行网格划分，其形式为在胞体的上、下表面为3:1(或2:1)面网格形式过渡，在两侧表面为2:1(或3:1)面网格过渡；

在步骤四中，过渡区网格过渡前后区域的网格，并且疏密过渡效率为6倍，区域间节点共用，网格节点连续，近焊区与焊缝区网格单元密度相同；

在步骤五中，空间复制有限元网格模型与几何模型网格完全重合，且整体模型为N个正整数倍最小几何模型；

所述有限元网格模型为HEX六面体网格实体单元组成。

本发明的有益效果是：

1、此方法简单方便、过渡效率高、适应性好、单元规整，即减少了有限元计算时间，又提高了计算精度；

2、单元的疏密过渡效率大大提高了，有效的减少了单元的数量，降低了计算时间成本；

3、单元建立的灵活度好，在厚、薄焊接结构的有限元分析中通用性强，且建立此单元模型的难度低；

4、单元模型的灵活性较好，便于适应不同焊缝区单元数量的需要来调整过渡的形式，在不同的厚度的焊接结构中可以灵活的使用混合过渡的方式，且不会由于单元的长宽比过大发生单元奇异的问题，提高了有限元计算的收敛速度；

5、既适用于厚度较小的模型，单元的层数不多、焊缝区不密集的焊接计算，又适用于厚板和焊缝区较为密集的有限元焊接计算。

附图说明

图1是本发明混合双向过渡单元网格模型示意图；

图2为本发明多重双向过渡网格示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种焊接混合双向过渡单元网格模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、建立三维焊接结构几何模型并将其划分为焊缝区、近焊区、过渡区和远焊区；

步骤二、进一步将几何模型划分为最小几何模型组元；

步骤三、将上述最小几何模型组元的过渡区部分进一步切分为长方体有限元胞体；

步骤四、将最小几何模型组元从远焊区到焊缝区依次进行实体有限元网格划分；

步骤五、将最小几何模型组元的有限元网格模型进行空间复制，与三维几何模型完全重合；

步骤六、将整个有限元模型合并重复节点，删除三维几何模型，完成建模，如图1所示。

进一步的，由远焊区至焊缝区，网格趋势为逐渐由疏至密；

进一步的，所述划分的方法为：依托软件，进行手动操作划分单元，画出部分的网格单元，再使用脚本语言进行自动生成；

进一步的，所述的最小几何模型组元应包含有焊缝区A、近焊区B、过渡区C、远焊区D四大区域；

进一步的，在步骤三中，过渡区网格划分时，对胞体进行网格划分，其形式为在胞体的上、下表面为3:1(或2:1)面网格形式过渡，在两侧表面为2:1(或3:1)面网格过渡；

进一步的，在步骤四中，过渡区网格过渡前后区域的网格，并且疏密过渡效率为6倍，区域间节点共用，网格节点连续，近焊区与焊缝区网格单元密度相同；

进一步的，在步骤五中，空间复制有限元网格模型与几何模型网格完全重合需保证整体模型为N个正整数倍最小几何模型；

进一步的，所述有限元网格模型均为HEX六面体网格实体单元组成。

本发明提出的混合双向过渡单元的有限元模型，即综合2:1与3：1两种过渡方式，并且实现双向过渡，具体过渡情况由焊接结构的厚度和要求的单元网格尺寸决定。

实施例2：

在焊缝处网格密度很大的情况下还可以采用多重双向过渡单元进行疏密过渡，如图2所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。