一种弹体菱形刻槽有限元网格建模的方法与流程

本发明涉及弹药技术领域，具体涉及一种弹体菱形刻槽有限元网格建模的方法。

背景技术：

弹体刻槽是在弹体的内、外表面运用机械加工或其他方法加工出沟槽，利用沟槽形成的应力集中区控制弹体按设计的网格系统破碎成预定大小和形状的破片。菱形刻槽是指刻槽的网格形状为菱形。在进行弹体菱形刻槽设计时，需要对菱形刻槽的弹体在爆轰加载下能否破碎成预定大小和形状的破片进行计算。通过建立弹体菱形刻槽的有限元模型进行破片成形分析，可直观的获取在爆轰加载下菱形刻槽弹体的破碎情况。然而，由于弹体菱形刻槽的几何形状较为复杂，利用商业建模软件实现弹体菱形刻槽的有限元网格的建立非常耗时。首先建立菱形刻槽弹体的三维模型，然后导入有限元软件进行网格划分，一般采用四面体网格划分，精度不高；若采用六面体网格，需要先对其中一个刻槽进行划分，然后镜像复制到其他刻槽，但是如果每个刻槽的角度不同，就不能直接镜像，还需要重新划分，步骤繁琐。另外，如需改变刻槽特征尺寸，则需要重新划分有限元网格，建模上大量的重复操作既繁琐又易出错，严重影响设计效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种弹体菱形刻槽有限元网格建模的方法，能够实现不同几何特征的弹体菱形刻槽有限元网格建模，方法简便且效率高。

本发明的具体实施方式如下：

一种弹体菱形刻槽有限元网格建模的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用节点构造菱形六面体网格进行弹体网格划分；

步骤二、补齐弹体网格前端面和后端面；

步骤三、根据菱形刻槽单元的边长、角度和深度分别沿周向和径向删除网格完成刻槽；

步骤四、根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息。

进一步地，所述步骤一的具体方法为：

步骤101、计算柱坐标系下周向和轴向的剖分数，并设定径向的剖分数；

步骤102、根据所述周向、轴向和径向的剖分数生成体节点；

步骤103、沿周向移动节点，使原同一轴向的节点移动后的连线与轴线呈刻槽角度的一半；

步骤104、根据刻槽深度、弹体厚度及径向剖分数确定径向刻槽的网格区域；

步骤105、径向移动节点使槽底节点和刻槽深度一致；

步骤106、利用节点构造菱形单元，得到菱形六面体网格。

进一步地，所述步骤二的具体方法为：

步骤201、通过复制轴向的起始端两列和结束端两列节点，然后沿轴向正、反两个方向移动得到前端面节点和后端面节点；

步骤202、由节点构造前端单元和后端单元。

进一步地，所述步骤201的移动方法为：

起始端的第一列和结束端的最后一列移动距离取l/2nz，起始端第二列和结束端的第二列取3l/2nz，确保移动后的节点轴向的坐标均相同，l为弹体长度，nz为轴向剖分数。

有益效果：

1、本发明能够实现不同几何特征的弹体菱形刻槽有限元网格建模，包括内刻槽、外刻槽和内外同时刻槽，由于刻槽形状为菱形，本方法直接构造菱形六面体网格进行划分，简单易实现；若要更改刻槽特征尺寸，仅需更改构造菱形六面体网格的几何特征参数即可建模，避免了改变刻槽特征尺寸的同时，重新建立三维模型并划分有限元网格的操作，避免给分析人员带来大量的重复劳动，解决了弹体菱形刻槽的几何形状较为复杂，有限元网格的建立过程繁琐的问题，对菱形刻槽的弹体的分析提供了便利、效率高。

2、本发明通过移动节点的方式构造菱形六面体网格，通过改变节点的几何特征精确控制菱形刻槽尺寸，响应速度快。

3、本发明通过复制端部节点的方式轴向移动补齐端面，构造出矩形端面，端面一致性好，便于与其他模型对接。

4、本发明限定端部节点的移动距离，使得构造出的矩形端面网格不会过大也不会过小，因此不会由于网格大小影响有限元步长的计算时间。

附图说明

图1为本发明弹体菱形刻槽的主视图；

图2为本发明弹体菱形刻槽截面图；

图3为本发明菱形边长示意图；

图4为本发明节点周向移动方向示意图；

图5为本发明周向移动前节点示意图；

图6为本发明周向移动后节点示意图；

图7为本发明8个节点构造一个单元的索引顺序示意图；

图8为本发明前、后端面节点移动示意图；

图9、图10、图11分别为本发明外刻槽、内刻槽和内外同时刻槽后的网格示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种弹体菱形刻槽有限元网格建模的方法，利用节点构造菱形六面体网格，补齐弹体网格前端面和后端面完成网格划分，然后根据菱形刻槽单元的边长、角度和深度分别沿周向和径向删除网格完成刻槽，具体包括以下步骤：

步骤1：归纳弹体菱形刻槽的几何特征；

根据图1、图2归纳刻槽宽度w，刻槽深度h，刻槽间隔a，刻槽角度θ，弹体长度l，弹体内部半径r1，弹体厚度t和菱形槽在刻槽宽度上的网格数量n。

步骤2：计算槽线相交所得菱形的边长；

如图3所示，槽线相交所得菱形边长用l表示，即菱形六面体网格边长，菱形边长l计算按式(1)计算，

步骤3：计算柱坐标系下的r、z方向的剖分数；

取弹体一端圆心为柱坐标原点，由原点指向弹体另一端面圆心为z轴正方向。径向剖分数为nr，周向剖分数为轴向剖分数为nz，径向剖分数nr可根据需要给一个定值，按式(2)计算周向剖分数和轴向剖分数nz。

步骤4：生成体节点；

根据步骤3的径向剖分数nr，周向剖分数轴向剖分数nz在柱坐标系下生成体节点，由线的端点得到线的节点，由对边节点得到面的节点，由对面节点得到体的节点。由于筒特征有相同的轴截面，根据对边节点确定轴截面节点分布，然后对轴截面上每个节点应用点对轴旋转的算法得到弹体的体节点，所有节点按照先z，再然后r方向存储，方便后续步骤构造菱形单元。

步骤5：周向移动节点；

对节点进行周向移动，在柱坐标系下，r、z三个方向的节点索引分别为i、j、k，其中，i＝1，2，……，nr；j＝1，2，……，k＝1，2，……，nz。则每个节点的移动距离按式(3)计算，逆时针移动如图4所示，如图5所示，虚线框i为移动前节点位置，如图6所示，虚线框i’为移动后节点位置。

步骤6：计算径向刻槽区域的网格；

径向要刻槽的网格数n’r由式(4)计算得到。

步骤7：径向移动节点使槽底节点和槽深一致；

在柱坐标系下，r、z三个方向的节点索引分别为i、j、k，对索引i＝nr-nr'的节点进行径向移动，按式(5)计算移动距离，使槽底部节点和槽深一致。

步骤8：由节点构造菱形单元；

8个节点构造一个单元，索引顺序如图7所示，以柱坐标系原点为节点1，r方向上的点为节点2，平面上的点为节点3，方向上的点为节点4，z方向上的点为节点5，rz平面上的点为节点6，空间内的点为节点7，平面上的点为节点8。对于按照先z，再然后r方向存储的所有节点，单元的节点索引indexnodei可按式(6)计算。构造的菱形单元按照先径向即r方向，再周向即方向，然后轴向即z方向存储，方便后续刻槽。

步骤9：生成前端面和后端面节点；

前端面的节点通过复制z方向的起始端两列节点然后向z轴负方向移动得到，后端面的节点通过复制z方向的结束端两列节点然后向z轴正方向移动得到，生成的前端面节点和后端面节点如图8虚线框所示，对于起始端的第一列和结束端的最后一列移动距离可取l/2nz，起始端第二列和结束端的第二列可取3l/2nz，确保移动后的节点z方向的坐标均相同。将复制的节点和被复制的节点按照先z，再然后r方向存储，方便后续步骤构造单元。

步骤10：由节点构造前端和后端单元；

由8个节点构造一个单元，索引顺序如图7所示，对于按照先z，再然后r方向存储的体节点，单元的节点索引indexnodei可按式(7)计算。

步骤11：计算周向刻槽间隔网格数；

周向刻槽间隔网格数由刻槽宽度和单个槽的网格数量计算得到，可按式(8)计算。

步骤12：删除刻槽区域网格；

由周向刻槽间隔网格数和径向刻槽网格数分别确定刻槽区域网格的周向索引和径向索引，删除网格中所有满足周向索引和径向索引的单元即可得到刻槽后的网格如图9，图10和图11所示，分别为外刻槽，内刻槽和内外同时刻槽后的网格示意图。

步骤13：柱坐标变换到直角坐标；

通过式(9)变换得到直角坐标，可依据不同求解器的格式要求，格式化输出网格的节点和单元信息。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。