多层膜元件热应力分析方法、系统和终端设备与流程

1.本技术涉及有限元分析技术领域，尤其涉及一种多层膜元件热应力分析方法、系统和终端设备。


背景技术：

2.多层膜单色器在国内外众多同步辐射装置，例如中国的bsrf、nsrl、ssrf，日本的spring-8，法国的esrf，美国的aps等均被广泛应用。当多层膜元件表面吸收高热负载时，会产生较大变形，多层膜元件由于膜层材料和基底材料的热膨胀系数不同，膜层中会产生非常大的热应力，这对膜层的安全产生不利的影响。为了对多层膜结构的性能以及使用寿命进行预测，可以采用有限元方法进行模拟分析，但是由于多层膜结构的高纵横比，即膜的厚度(nm)与长宽(mm)之间的尺度差异巨大(10^6)，给有限元网格划分以及仿真分析带来巨大困难，目前还不能在ansys workbench中进行多层膜元件热应力的有限元分析。现有的少数案例中也都是在经典ansys环境中通过编写apdl代码实现，由于是在经典ansys环境，无论是建模、网格划分和载荷施加等过程不够直观，人机交互不友好，此外还涉及很多有限元单元深层次的技术，使初学者很难掌握这种方法，如果出现问题也很难排查问题所在。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供一种基于ansys workbench的多层膜元件热应力分析方法、系统和终端设备，可以准确模拟得到多层膜元件的热应力分析结果，特别是每个膜层内部的应力情况，解决了当前针对纵横比尺寸差异巨大的多层膜元件有限元分析困难的问题等。
4.第一方面，本技术实施例提供一种多层膜元件热应力分析方法，应用于ansys workbench平台，所述方法包括：
5.在稳态结构模块中添加构成所述多层膜元件所需组件的材料属性，所述多层膜元件的组件包括基底和不同膜层；
6.利用几何模型工具创建所述基底的三维模型，并利用网络划分工具对所述基底进行网格划分，得到网络模型；
7.在模型设置界面中通过插入命令方式定义多层膜三维实体-壳单元，并按照所述不同膜层的材料属性及厚度对所述多层膜三维实体-壳单元进行截面设置；
8.基于所述多层膜元件的温度分布数据，设置包含所述多层膜三维实体-壳单元的网络模型的边界条件；
9.对设置有所述边界条件的网络模型进行热应力求解，得到所述多层膜元件的热应力分析结果。
10.在一些实施例中，所述在模型设置界面中通过插入命令方式定义多层膜三维实体-壳单元，包括：
11.选取所述创建的基底的三维模型的上表面节点，根据所述多层膜元件中所有膜层
的总厚度，向上进行节点复制；
12.依次利用上下对应且相邻的八个节点，建立所述多层膜三维实体-壳单元，直到用完上下所有节点。
13.在一些实施例中，所述基于所述多层膜元件的温度分布数据，设置所述网络模型的边界条件，包括：
14.对所述基底的底面节点设置为固定约束且无摩擦约束；
15.根据所述多层膜元件的基底的温度分布数据，通过命令方式对所述基底的每个节点施加温度载荷；
16.根据所述多层膜元件的每个膜层的温度分布数据，通过命令方式对所述多层膜三维实体-壳单元中每层单元施加相应的温度载荷；所述施加的温度载荷用于进行热应力求解。
17.在一些实施例中，所述多层膜元件的热应力分析结果包括基于所述施加的温度载荷计算得到的所述基底以及各个膜层的变形和应力分布；
18.其中，所述各个膜层的变形和应力分布通过添加命令方式进行显示。
19.在一些实施例中，所述创建所述基底的三维模型，包括：
20.建立四分之一基底的三维模型，然后通过拉伸功能按照所述基底的实际尺寸来调整得到所述基底的三维模型。
21.在一些实施例中，所述利用网络划分工具对所述基底进行网格划分，得到网络模型包括：
22.采用六面体网络单元对所述基底进行网格划分，得到六面体网格模型。
23.在一些实施例中，所述组件的材料属性包括所述基底和所述不同膜层各自的热膨胀系数、泊松比和杨氏模量中的一种或多种。
24.第二方面，本技术实施例提供一种多层膜元件热应力分析系统，应用于ansys workbench平台，所述系统包括：
25.稳态分析单元，用于在稳态结构模块中添加构成所述多层膜元件所需组件的材料属性，所述多层膜元件的组件包括基底和不同膜层；
26.模型创建单元，用于利用几何模型工具创建所述基底的三维模型；
27.网格划分单元，用于利用网络划分工具对所述基底进行网格划分，得到网络模型；
28.模型定义单元，用于在模型设置界面中通过插入命令方式定义多层膜三维实体-壳单元，并按照所述不同膜层的材料属性及厚度对所述多层膜三维实体-壳单元进行截面设置；
29.边界设置单元，用于基于所述多层膜元件的温度分布数据，设置包含所述多层膜三维实体-壳单元的网络模型的边界条件；
30.热应力分析单元，用于对设置有所述边界条件的网络模型进行热应力求解，得到所述多层膜元件的热应力分析结果。
31.第三方面，本技术实施例提供一种终端设备，所述终端设备包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实施上述的多层膜元件热应力分析方法。
32.第四方面，本技术实施例提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算
机程序在处理器上执行时，实施上述的多层膜元件热应力分析方法。
33.本技术的实施例具有如下有益效果：
34.本技术实施例的基于ansys workbench的多层膜元件热应力分析方法，通过在稳态结构模块中添加构成多层膜元件所需组件的材料属性；利用几何模型工具创建多层膜元件的基底的三维模型，以及对基底进行网格划分，得到网络模型；然后通过插入命令方式定义多层膜三维实体-壳单元并按照多层膜元件的不同膜层的材料属性及厚度对其进行截面设置；最后，基于多层膜元件的温度分布数据，设置网络模型的边界条件并进行热应力求解，得到多层膜元件的热应力分析结果。该方法可以准确模拟得到多层膜元件的变形和应力分布数据，特别是每个膜层内部的应力情况，解决了当前针对纵横比尺寸差异巨大的多层膜元件有限元分析困难的问题；并且，采用可视化、交互性更优的ansys workbench，具有前后处理效率高，相比复杂晦涩的有限元经典界面而言，具有前后处理效率高，易于实现，操作简便的特点等。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1示出了本技术实施例的多层膜元件热应力分析方法的第一流程图；
37.图2示出了本技术实施例的ansys workbench中的稳态结构分析模型的界面；
38.图3示出了本技术实施例的一种多层膜元件的基底的三维模型；
39.图4示出了本技术实施例的一种多层膜元件的基底的六面体网格示意图；
40.图5示出了本技术实施例的多层膜三维实体-壳单元的构建示意图；
41.图6示出了本技术实施例的多层膜元件热应力分析方法的第二流程图；
42.图7a和图7b分别示出了本技术实施例的一种多层膜元件的基底的等效应力和变形分布情况；
43.图8a和图8b分别示出了本技术实施例的一种多层膜元件的第159和160层的应力分布情况；
44.图9示出了本技术实施例的多层膜元件热应力分析系统的结构示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
46.通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
47.在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅
意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
48.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
50.ansys workbench，作为一种模型分析工具，其功能强大，可包括但不限于用于对各种类型的结构材料的仿真、对复杂流体动力学工程进行简化分析等各种工程仿真分析及设计，由于其采用了友好的可视化界面、易于操作、前后处理效率高等，因此被广泛应用在如建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业、冶金等不同的领域。
51.对于包括基底和不同膜层结构的多层膜元件，为了对其中的不同膜层结构的性能以及使用寿命进行预测，可以通过采用有限元方法进行模拟分析。正如前面提及到，由于现有的对多层膜元件的有限元件分析，存在多层膜结构的高纵横比存在差异巨大的问题，而且在经典的ansys环境中只能通过编写apdl代码实现，不够直观且难于操作，对此，本技术提出了一种基于ansys workbench平台的层膜元件热应力分析方法，很好地解决了目前在ansys workbench中不能进行多层膜元件热应力的有限元分析的问题，不仅如此，通过利用多层膜元件的温度分布数据进行边界设置，可以准确模拟得到多层膜元件的变形和应力分布数据，特别是每个膜层内部的应力情况，解决了当前针对纵横比尺寸差异巨大的多层膜元件有限元分析困难的问题。
52.下面将结合具体的实施例来进行说明。
53.实施例1
54.图1所示为本技术实施例的多层膜元件热应力分析方法的第一流程图。
55.示范性地，基于ansys workbench这一软件平台，该多层膜元件热应力分析方法主要包括建模、前处理、求解、后处理等操作，具体包括步骤s110-s600：
56.步骤s100，在稳态结构模块中添加构成多层膜元件所需组件的材料属性，所述多层膜元件的组件包括基底和不同膜层。
57.本实施例中，该多层膜元件可以是由基底和位于基底表面的多层膜结构构成的元件，例如，一些航天航空用产品，其表面通常覆有膜层结构，以实现产品的耐高温耐高压等特性等。示范性地，当需要对目标多层膜元件进行热应力分析时，先获得该多层膜元件的组成部分，具体可包括基底(solid)及各个膜层结构，以及每个组件的材料属性等。其中，各组件的材料属性可包括但不限于包括热膨胀系数、泊松比和杨氏模量等中的一种或多种，具体可根据实际需求获得，这里不限限定。
58.其中，上述的稳态结构模块是指workbench软件平台中的static structural模块，其主要用于稳定结构分析(也称静态结构分析)。示范性地，用于执行本方法的终端设先(如计算机等)可预先安装有ansys workbench软件，如图2所示，进入ansys workbench界
面，将选定static structural模块，进而点击engineering data(工程数据)进入材料属性的编辑界面，新建所需材料并设置其属性。
59.可以理解，通过在稳态结构模块中添加该多层膜元件的各个组件的材料并设置其属性，可以为后续的模型建立提供基础等。
60.例如，若某一种多层膜元件包括材料为si(硅)的基底、以及b4c(碳化硼)和pd(钯)等多层膜结构，则可相应添加各组件的材料属性等。
61.步骤s200，利用几何模型工具创建所述基底的三维模型。
62.其中，上述的几何模型工具是指平台中geometry模块内的design modeler工具，可用于直接创建一些通用结构的三维模型。示范性地，使用design modeler工具建立基底的三维模型时，可先建立一个基底草图sketch，然后通过extrude(拉伸)功能按照该基底的实际尺寸来调整，得到该基底的三维模型。进而，点击model(模型)进入mechanical设置界面，并在创建的模型树geometry中指定该基底的材料，如指定上述基底的材料为si等。
63.以上述的多层膜元件为例，可先建立一个基底的三维模型的草图，然后通过拉伸功能按照该基底的实际尺寸来调整得到最终的基底的三维模型，例如，如图3所示，这里以一个四分之一基底的三维模型为例，其尺寸为50
×
30
×
60mm。
64.步骤s300，利用网络划分工具对所述基底的三维模型进行网格划分，得到网络模型。
65.示范性地，基于上述构建的基底的三维模型，将进一步对构建的立体模型进行网格划分，即建立有限元网格模型，以便后续的有限元分析。在一种实施方式中，将采用完全六面体网络单元对上述基底进行网格划分，得到六面体网格模型。例如，在ansys workbench平台中，如图2所示，点击mesh后，将设置单元尺寸，控制该基座上表面单元类型为四边形，然后生成如图4所示的六面体网格模型。
66.步骤s400，在模型设置界面中通过插入命令方式定义多层膜三维实体-壳单元，并按照所述不同膜层的材料属性及厚度对所述多层膜三维实体-壳单元进行截面设置。
67.其中，三维实体-壳单元又称solsh190单元，该单元能够用于各种厚度的壳体结构的建模，其具有8个节点，每个节点处有3个自由度，并且用户可以在该单元表面上添加压力或温度等荷载以进行力或热分析。
68.示范性地，在当前基底对应的模型树geometry中，通过右键进入insert，使用commands命令，定义一个多层膜solsh190单元，并根据这些层膜的数据以及周期数等对该单元的不同截面进行材料属性和厚度等设置，从而实现对多层膜结构的建模分析。仍以上述的多层膜元件为例，例如，可根据单层pd层的厚度为10-6
mm和单层b4c层的厚度为10-6
mm，以及多层膜的周期数设为80等进行设置。
69.具体地，可选取该基底的三维模型的上表面节点，根据该多层膜元件中所有膜层的总厚度，向上进行一层节点复制；然后依次利用上下层对应且相邻的八个节点，如图5所示，在下层(a)选择四个节点1、2、3、4，并复制的上层(a’)也选择四个节点1’、2’、3’、4’来进行对应连接，直至用完上下层所有节点，从而完成对该多层膜三维实体-壳单元的生成操作。可以理解，通过上述处理，可以保证该solsh190单元上下层对应节点的x和y坐标严格相同，也进一步提高了分析的精度等。
70.应当明白的是，由于现有的ansys workbench平台中并没有直接可用的solsh190
单元，故无法利用已有的相关模型来实现对多层膜元件的建模分析，为此，本实施例提出在对基底进行网格划分后，利用其上表面的节点，通过节点复制再生成一层节点的方式，其中，两层之间的距离即为多层膜的总厚度，以此创建一多膜层solsh190单元，进而为多层膜元件在平台的热力学分析提供分析模型基础等。
71.步骤s500，基于所述多层膜元件的温度分布数据，设置包含多层膜三维实体-壳单元的网络模型的边界条件。
72.其中，上述的边界条件主要用于进行仿真分析时的约束，从而保证模拟得到的结果是可靠的，能够贴合实际的情况。本实施例中，对于多层膜元件，可根据已知的元件的温度分布数据来施加相应的温度载荷，进而可结合各个组件的材料属性等进行热应力求解。
73.如图6所示，在一种实施方式中，上述步骤s500包括：
74.子步骤s510，对基底的底面节点设置为固定约束且无摩擦约束。
75.子步骤s520，根据基底的温度分布数据，通过命令方式对基底的每个节点施加温度载荷。
76.子步骤s530，根据每个膜层的温度分布数据，通过命令方式对所述多层膜三维实体-壳单元中每层单元施加相应的温度载荷(又称热载荷)。可以理解，上述施加的温度载荷将用于网格模型的热应力仿真。
77.示范性地，可在static structural中设置边界条件，比如，设置基底的底面节点为fixed support(固定约束)，并设置frictionless support(无摩擦约束)；比如，选取底面节点(0,0，-60)为固定约束，以及设置xoz和yoz平面为对称约束面等。进而，通过commands命令对基底每个节点都施加热载荷，以及通过插入commands命令来复制基底的上表面节点，并建立solsh190单元，然后根据各个膜层的温度分布数据对每层膜施加相应的温度载荷。
78.步骤s600，对设置有边界条件的网络模型进行热应力求解，得到所述多层膜元件的热应力分析结果。
79.示范性地，在为有限元网格模型添加了边界条件后，则可进行热应力仿真及分析，这里可采用平台内已有的热应力分析工具来实现，以得到该多层膜元件的热应力分析结果。在一种实施方式中，该多层膜元件的热应力分析结果可包括该施加了载荷后的基底的变形和等效应力，以及每个膜层的应力分布等。
80.例如，仍以上述的具有b4c层和pd层的多层膜元件为例，经过添加相应的热载荷后在ansys workbench平台上进行热应力仿真，可以得到如图7a和图7b所示的四分之一基底的变形情况和应力分布情况；以及，还通过添加commands命令，提取出上述多层膜solsh190单元的最上面2层应力分布，其中图8a为第159层的应力分布，图8b所示为第160层的应力分布。此外，发明人为了进一步验证该分析结果的准确性，还将该分析结果与在经典ansys环境下的热应力分析结果进行了比较，经比较得到，两种方法中b4c膜的最高等效应应力分别为277.4mpa和278.4mpa；两种方法中pd的最高等效应应力分别为206.9mpa和207.8mpa。由此可以看出，两种方法得到的结果相差很小，因此这也进一步说明对于多层膜元件，本实施例的基于ansys workbench平台的热应力分析方法是准确可行的。
81.本实施例基于ansys workbench首次提出多层膜元件的热应力分析方法，通过在workbench环境中借助插入commands命令在构建得到的网格模型的基础上通过上表面节点
复制以及根据膜层的总厚度及每个膜层的厚度及材料属性等来建立对应的多层膜solsh190单元，以为多层膜元件提供模型分析基础，然后利用已知的多层膜元件的温度分布数据，在基底上设置约束条件、施加基底和多层膜各自的温度载荷，进而求解得到基底和每个膜层的变形和应力分布，解决了多层膜建模困难，高纵横比难以划分网格的痛点，且相较于经典ansys环境下的apdl操作界面，本方法充分利用了ansys workbench的交互性好，操作简便，处理效率更高等的特点。此外，基于ansys workbench的该多层膜元件热应力分析方法还能够更加适合具有大尺度多层膜的有限元分析等场景。
82.实施例2
83.请参照图9，基于上述实施例1的方法，本实施例提出一种多层膜元件热应力分析系统100，应用于ansys workbench平台。
84.示范性地，该多层膜元件热应力分析系统100包括：
85.稳态分析单元110，用于在稳态结构模块中添加构成所述多层膜元件所需组件的材料属性，所述多层膜元件的组件包括基底和不同膜层。
86.模型创建单元120，用于利用几何模型工具创建所述基底的三维模型。
87.网格划分单元130，用于利用网络划分工具对所述基底进行网格划分，得到网络模型。
88.单元定义单元140，用于在模型设置界面中通过插入命令方式定义多层膜三维实体-壳单元，并按照所述不同膜层的材料属性及厚度对所述多层膜三维实体-壳单元进行截面设置。
89.边界设置单元150，用于基于所述多层膜元件的温度分布数据，设置所述网络模型的边界条件。
90.热应力分析单元160，用于对设置有所述边界条件的网络模型进行热应力求解，得到所述多层膜元件的热应力分析结果。
91.可以理解，本实施例的各个单元的功能对应于上述实施例1的方法，上述实施例1中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。
92.本技术还提供了一种终端设备，如计算机等，示范性地，该终端设备包括处理器和存储器，其中，存储器存储有计算机程序，处理器通过运行所述计算机程序，从而使终端设备执行上述的多层膜元件热应力分析方法或者上述多层膜元件热应力分析系统中的各个模块的功能。
93.本技术还提供了一种可读存储介质，用于储存上述终端设备中使用的所述计算机程序。
94.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的
每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
95.另外，在本技术各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
96.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
97.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。