一种基于轮胎结构特征的直接有限元网格生成方法与流程

1.本发明涉及仿真分析技术领域，特别涉及一种基于轮胎结构特征的直接有限元网格生成方法。


背景技术：

2.轮胎有限元分析已成为轮胎设计过程中不可或缺的轮胎性能预测手段。有限元分析在设计方案筛选、轮胎性能改善及轮胎性能机理研究等方面发挥着重要作用，可以减少产品试制数量，加快产品性能迭代升级，降低研发成本。
3.轮胎有限元分析中有限元模型的创建是一项繁琐而细致的工作，简单说就是将轮胎横截面二维几何模型离散为一定数量的四边形和三角形网格模型。轮胎结构本质上一种复合材料结构，由数种橡胶材料和帘线材料硫化成型，建立有限元模型时需要将这些材料区域区分出来，用于设定材料参数。同时，还要设定轮胎与轮辋、路面的接触面，轮胎充气内表面等信息。
4.上述轮胎有限元模型的难度限制了轮胎设计工程师使用轮胎有限元分析方法，因此需要发明一种从轮胎二维横截面cad设计模型快速生成有限元模型文件的方法，通过计算机编程的方式实现轮胎有限元模型的自动创建。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种用于将轮胎二维横截面的cad设计文件自动生成二维有限元网格模型文件的方法。
6.为此，本发明提供一种基于轮胎结构特征的直接有限元网格生成方法，包括以下步骤：
7.s1、获得轮胎材料分布图线框模型：获取轮胎材料分布图，识别图像内不连续点并修复，获得轮胎材料分布图线框模型；
8.s2、生成二维面模型：首先提取轮胎横截面的轮廓线，将闭合的轮廓线填充为二维面，然后用所述s1获得线框模型中非轮廓线的线框分割所述二维面，将轮胎横截面分割成离散面；
9.s3、材料区域辨识：根据轮胎结构特征，将所述s2获得的各离散面标注各部件的结构名称；
10.s4、提取特征边和特征点：对所述s3获得的离散面提取特征边和特征点；所述特征边包括轮胎轮廓线和所述离散面的边界线；所述特征点包括所述离散面的边界点和所述离散面的位置点；
11.s5、生成离散网格线：首先根据所述s4中各离散面进行分区，并确定各分区的划分网格顺序；然后在单一分区内所述离散面的特征边上划分离散点，连接所述离散点，形成主网格线；之后在所述主网格线上，生成离散点，并连接相邻所述主网格线的离散点，形成次网格线，完成所述分区内的网格划分；
12.根据所述划分网格顺序，对各分区依次执行网格划分，完成整个轮胎横截面的有限元网格线划分；
13.s6、离散轮胎材料分布图二维面模型：用所述s5生成的离散网格线，切割所述s2中获得的二维面模型，获得轮胎二维有限元模型；
14.s7、生成轮胎有限元网格模型文件：根据有限元求解器的输入格式，重新定义所述s6中获得的轮胎二维有限元模型，获得可执行有限元分析文件。
15.优选的，所述s1中不连续点判别方法如下：
16.s11、识别图像中每条线段的端点；
17.s12、所述s11中端点，如不在相邻线段上或不与相邻端点重合则为所述不连续点。
18.优选的，所述s1中不连续点修复方法如下：
19.s13、筛选出与所述不连续点距离最近的线段或端点；
20.s14、延长所述不连续点所在线段，并按照最短路径与距离最近的线段或端点相交，形成闭合图形。
21.优选的，所述s2中生成二维面模型包括如下的实施方法：
22.创建一个大于轮胎材料分布图边界的二维平面，然后用所述材料分布图线框模型分割此平面，得到具有不同材料区域的轮胎材料分布面模型。
23.优选的，所述s3中材料区域自动辨识方法包括：
24.s31、依据轮胎材料分布特征搭建各区域相邻与不相邻的关系式；
25.s32、根据集合算法和所述s31中所述关系式及极值法，编程自动标注各区域的所述结构名称。
26.优选的，所述s4中的边界点是所述离散面的边界线的线段相交点。
27.优选的，所述s4中的位置点包括所述离散面的几何中心点、所述特征边上的点。
28.优选的，所述s4中特征边和特征点根据极值法和集合算法确定。
29.优选的，所述s5中根据几何特征点进行分区，包括钢丝圈区、下胎侧区、上胎侧区、胎肩区和胎冠区；
30.所述划分网格顺序为：钢丝圈区-下胎侧区-胎冠区-胎肩区-上胎侧区，胎冠区-胎肩区-钢丝圈区-下胎侧区-上胎侧区，或胎冠区-胎肩区-上胎侧区-钢丝圈区-下胎侧区其中一种。
31.优选的，所述s5中还包括：
32.s51、将各分区中所述离散面边界上的特征点投影至单一部件的边界上，并以投影点为基准，在投影点之间，根据网格尺寸设置几何点，将所述投影点和所述几何点设为网格线的离散点；
33.s52、在所述分区对应的轮胎外轮廓线上，设置与分区内侧离散点数量相同的离散点，并沿内外方向对应连接各离散点，形成主网格线；
34.s53、次网格线根据有限元网格质量需求，以相邻分区边界上的离散点为起点，连接所述部件边界上的离散点。
35.本发明的有益效果是：
36.(1)采用直接离散轮胎截面几何模型的方法获取轮胎有限元模型文件，摆脱对商业有限元建模软件的依赖，降低软件费用支出；
37.(2)与三维设计软件联合编程，实现设计仿真一体化集成，缩减数据传递环节和数据损失；
38.(3)能够通过编程实现全自动化的有限元网格划分过程，建立轮胎有限元模型的难度大幅降低，设计工程师只需要输入轮胎结构参数，即可完成轮胎有限元模型的创建，提高产品仿真预测的效率，提高企业产品研发能力。
附图说明
39.图1是本发明的实施流程图；
40.图2是本发明所述的轮胎材料分布图二维线框模型图；
41.图3是本发明所述的轮胎轮廓线；
42.图4是本发明所述的轮胎部件分区线；
43.图5是本发明所述的轮胎材料分布图二维面模型图；
44.图6是本发明所述的轮胎胎冠局部视图；
45.图7是本发明所述的轮胎胎圈局部视图；
46.图8是本发明所述的轮胎网格离散区域划分；
47.图9是本发明所述的轮胎钢丝圈网格离散示意图；
48.图10是本发明所述的轮胎下胎侧网格离散示意图；
49.图11是本发明所述的轮胎胎冠网格离散示意图；
50.图12是本发明所述的轮胎上胎侧网格离散示意图；
51.图13是本发明所述的直接离散轮胎有限元模型图；
52.图中标记：1.轴对称线，2.内轮廓线，3.外轮廓线，4.胎面，5.带束层，6.胎体，7.气密层，8.胎侧，9.胶芯，10.胶片，11.子口，12.加强层，13.钢丝圈。
具体实施方式
53.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。
54.图1是本发明的设施流程图，下面以一个轮胎实例按本方法进行有限元建模具体说明。需要说明的是，由于轮胎二维截面是轴对称结构，因此本方法仅针对轮胎材料分布图半边模型进行实施。
55.如图1所示，本发明主要包括以下步骤：
56.s1、获得轮胎材料分布图线框模型，如图2所示，是本发明实施例中某轮胎结构的材料分布图二维线框模型，此模型也是轮胎结构设计图，主要通过线框的方法描述轮胎结构和区分轮胎上不同材料的区域分布。材料分布图上每个封闭的线框区域表示不同材料部件。材料分布图的构图主要由两大部分构成，一是轮胎的轮廓线，如图3所示，包括外轮廓线3和内轮廓线2，由于本实施例中以半个轮胎截面进行展示，故还有轴对称线1，而实际轮胎中，内轮廓线2和轴对称线1是看不到的，可见的部分是外轮廓线3；二是不同材料部件的分区线，如图4所示的材料部件分区。
57.优选的，设计人员在绘制图纸时，或进行三维转二维操作时，不免会出现线框不连
续的情况，其端点就是不连续点，也可称为断点。线框不能形成封闭的面域，影响后续轮胎二维面模型的生成。因此，本实施例中还包含了二维线框的断点识别和修复方法。具体如下：
58.断点判别方法如下：
59.s11、识别图像中每条线段的端点；
60.s12、每条线段都有两个端点，如果线框是连续的，就要求每条线段的端点要么在另外一条线段上，要么与其他线段的端点重合。据此特特征，编程实现每条线段的端点评判，满足上述任意条件，说明线段端点是闭合的，否则端点是断开的，对于断开的端点将其记录保存。
61.s13、编程筛选出与断点距离最近的线段或者线段端点；
62.s14、延长断点所在线段，并按照最短路径与距离最近的线段或端点相交，形成闭合图形，完成断点的修复。
63.s2、创建轮胎材料分布图的面模型，在图2的材料分布图上提取轮胎横截面的轮廓线，由此轮廓线形成整体轮胎截面模型，然后用图4所示的轮胎部件分区线去切割轮胎截面模型，最终形成图5所示的轮胎材料分布图的二维面模型。在本发明的另一个实施例中，还可以采取创建一个大于轮胎材料分布图边界的二维平面，然后用材料分布图线框模型分割此平面，同理可得到具有不同材料区域的轮胎材料分布的二维面模型。
64.s3、根据输入的轮胎结构信息及轮胎结构特征，对轮胎上不同材料区域进行轮胎部件的自动标注，完成不同材料的自动辨识。
65.优选的，变成自动辨识方法如下：
66.s31、依据轮胎材料分布特征搭建各区域相邻与不相邻的关系式；
67.s32、根据集合算法和所述s31中关系式及极值法，编程自动标注各区域的所述结构名称。
68.具体地，本实施例中对于子午线轮胎，胎冠结构如图6所示，由轮胎内表面向外依次是气密层7、胎体6、带束层5和胎面4。此区域的结构特征是各部件在轴对称边上的坐标值是单调增加或减小的，根据这特征提前此区域的轴对称边，计算轴对称边的中点坐标，参照图6中的坐标方向，利用极值法，将中点坐标的y坐标值排序，y坐标值最小的为气密层7，依次是胎体6、带束层5和胎面4。
69.进一步，如图7所示，胎圈结构特征是，钢丝圈13和胶芯9位于胎圈中心区域，其他部件包围在钢丝圈13及胶芯9周围。钢丝圈13位置特征是只与胶芯9相邻，也就是钢丝圈13所在面的边与周围其它部件的边，除胶芯9外，都没有交集。利用以上搭建的相邻与不相邻关系式，通过集合算法编程判读每个面的边与其它面的边是否存在交集，如果存在交集且只与一个面存在交集，那么这个面就是钢丝圈13，与钢丝圈13存在交集的面就是胶芯9。子口胶11总是位于胎圈的最外层，按图7的坐标方向，只需找到y坐标值最小的边，此最小边所在面即为子口胶11。气密层7和胎体6已在胎冠区域中被识别，胎圈区域未被识别的部件有加强层12、胎侧8和加强层12反包端点的胶片10。其中，加强层12的识别通过相邻面求交集的方法完成，加强层12位于胎体6和气密层7之间，分别求得胎体6和气密层7的所用相邻面，二者相邻面的交集只有唯一的一个面，即加强层12。加强层12反包端点的胶片10，同样采用相邻面求交集的方法识别，在已识别的部件中，与此胶片10相邻且存在唯一交集的两个部
件是，胶芯9和子口胶11组合，胶芯9和胎体6组合，求两对组合中任意一组的交集，即为加强层反包端点的胶片10。胎侧8的识别可以通过两种方法，一是求得轮胎二维截面上最宽的点，图7坐标方向上的x坐标最小值；二是通过求相邻面交集的方法。
70.s4、对s3获得的标注好的离散面提取特征边和特征点；特征边包括轮胎轮廓线和所述离散面的边界线。其中，特征点包括离散面的边界点和离散面的位置点。具体地，在s3中完成轮胎不同材料区域的部件识别后，轮胎部件的特征边和特征点的识别同样根据集合算法和极值法的原理标定。例如，求图7中胎侧8与子口11的交线，根据此交线是胎侧8与子口11的公共边的特征，求胎侧8与子口11面所有边的交集，就是可获取该交线。这里重点说明，图3中的轮胎外轮廓线3、内轮廓线2及轴对称线1的识别。轴对称线1从轮胎几何特征上看，只存在于胎冠区域，按图6中坐标方向，x坐标值最大的边，因此只需要求得胎面4、带束层5、胎体6和气密层7的x坐标值最大的边，记为集合o。轮胎外轮廓线3主要有胎面4、胎侧8、子口11的外边缘线构成，其特征是与其它部件不存在公共边，依次求出各自的非公共边，然后做合集就是外轮廓线。求胎面的所有边记为集合m，除胎面外其它所有轮胎部件的边记为集合n，做集合求差集运算m-n-o，就是胎面部分的外边缘线。同理，求得胎侧8和子口11外边缘线。其中,子口11的外边缘线，一部分属于外轮廓线3，一部分属于内轮廓线2，如图7所示，需要进一步区分。子口11外边缘线的内外轮廓区分的标志是边线的最低点(按图7坐标系方向，y坐标的最小值)，只需识别出一侧的边缘线。以子口外边缘线的内轮廓识别为例进行说明，首先求得气密层与子口胶交线的最高点，已此最高点为起点，将子口外边缘线进行排序，位于标志点之前的边线属于内轮廓线，其余的部分为外轮廓线。内轮廓线的气密层部分，采用上述求差集的方法求得。
71.s5、有限元计算方法要求二维计算的模型网格划分，使其离散为规则的四边形或者三角形，并对离散网格的质量有一定的要求。轮胎部件区域大多是不规则的多边形，如图5所示。要保证网格质量，总体思想是将不规则的多边形划分为规则的四边形和三角形，然后在这些规则的四边形和三角形内再离散为小四边形和三角形。
72.综上，首先确定网格划分离散的顺序，如图8所示，优选的，将轮胎材料分布图分为钢丝圈分区a、下胎侧分区b、上胎侧分区c、胎肩分区d及胎冠分区e；网格划分顺序是分区a、分区b、分区e、分区d、分区c，或者是按照分区e、分区d、分区c、分区a、分区b的顺序。
73.其中，分区方法是以外轮廓线3最宽点gn和内轮廓线2最宽点kn的连线为基准将材料分布图分为图8中上下部分；选择钢丝圈12与胶芯9的两个分界点a和f，分别向外轮廓线3和内轮廓线2做垂线，将轮胎下半部分成钢丝圈区a和下胎侧分区b；以带束层5最宽处为起点，分别向内轮廓线2、外轮廓线3的胎面部分作垂线，向外轮廓线3的胎侧部分作沿伸线，将轮胎上半部分，分为下胎侧区c、胎肩区d和胎冠区e。
74.优选的，限元网格生成方法包括如下步骤：
75.s51、将各分区中离散面边界上的特征点投影至单一部件的边界上，并以投影点为基准，在投影点之间，根据网格尺寸设置几何点，将投影点和几何点设为网格线的离散点；
76.s52、在分区对应的轮胎外轮廓线3上，设置与分区内侧离散点数量相同的离散点，并沿内外方向对应连接各离散点，形成主网格线；
77.s53、次网格线根据有限元网格质量需求，以相邻分区边界上的离散点为起点，连接部件边界上的离散点。
78.进一步，在本实施中，分区a网格划分方法是，如图9所示，首先识别钢丝圈13的6个顶点a～f及6条边ab～fa，顶点a、d、f分别向外轮廓线3做投影点a’、d’、f’，交点c”向外轮廓线3作投影点c’；然后创建钢丝圈13的6条边上离散点，要求ab边和cd边，bc边和ef边，de边和af边的离散点数量相同，依次连接每组的离散点，完成钢丝圈13内的网格线；在外轮廓线3的a’和d’点之间布置与ab边和cd边相同数量n+1个离散点，在内轮廓线的d’和f’之间布置与de边和ef边相同数量n+1个离散点，依次连接钢丝圈与内外轮廓线3上的离散点。此分区其余未作说明的地方，根据实际的设计图纸不同，创建不同的离散点，然后连接cd边和ef边的离散点，完成分区a的网格线划分。
79.图10所示为分区b下胎侧的网格离散划分方法，将下胎侧轮胎内部的材料分布边界点投影到轮胎外轮廓线3上，如图10中加强层12端点g1和k1、胎体端点g2、子口11上端点g3和内端点k0、胶片10上端点g4、胶芯9上端点g5，分别投影到外轮廓线3上，得到投影点g1’～g5’和k0’～k1’。在外轮廓线3上从g0’点(胎侧胶最低点)开始到gn点(轮胎胎侧最宽点)之间的投影点依次布置网格离散点，在内轮廓线2上kn点到f’点之间布置相同数量的离散点。以外轮廓线的离散点为起点，逐个连接对应位置的内轮廓离散点，如果此离散点由内部材料分布边界点投影生成，则先连接边界点，然后从边界点再连接对应的离散点，完成主网格线的划分。对于胎体6、气密层7、加强层12、胎侧8及胶片10的厚度薄，只需划分主网格线基本满足网格质量要求，胶芯9厚度后，需要划分次网格线保证网格质量。胶芯9次网格线的方法是，以分区a与分区b交界处的离散点为起点，连接主网格线与胶芯9边界的交点，连接的原则是避开材料分布边界的端点。
80.图11所示为胎冠分区e和胎肩分区d的网格离散划分方法，方法与下胎侧类似，将胎冠区域的材料分布分界点和花纹沟沟底的点投影到最长的带束层5上，如图11的虚线，将带束层5端点b3和b4，花纹沟底v1～v4点及胎体6与带束层5的分界点s1，投影到b2到bn的带束层5上。根据网格尺寸要求，布置b2到bn之间的离散点，在b2和bn点之间对应的内轮廓线2上布置同样数量的离散点，分别在b2和v1’，v2’和v3’，v4’和bn之间对应的胎面外轮廓线上相同的离散点，以b2和bn之间的离散点为起点，向内连接内轮廓离散点，先外连接外轮廓离散点，如果离散点由内部材料分布边界点投影生成，则先连接边界点，然后从边界点再连接对应的离散点，完成主网格线的划分。胎面胶厚度较厚，需要划分次网格线，保证网格质量，方法是在厚度方向上布置相同的离散点，然后将离散点依次连接即可。胎体和带束层之间的胶部件，根据实际轮胎结构情况而定。
81.胎肩分区d划分方法说明，将最长带束层5端点b2沿伸到外轮廓线3得到交点b0，如果该沿伸线与内部材料分界线存在交点，则求出交点b0’。本例中图11所示，在外轮廓线3的b0和v0上布置与b2和b2’之间相同数量的离散点，然后依次连接对应的离散点；v0和b2’，b0’和b2之间布置相同数量的离散点，连接对应的离散点，完成主次网格线划分。
82.上胎侧分区c的划分方法如图12所示，b2仍然是最长带束层端点，g7点为胎侧8和胎面4的分界点，g6点为胎侧8与带束垫胶的分界点，首先在b2、g7、g6和kn’之间布置离散点，然后在外轮廓线b0和gn之间布置相同数量的离散点，在内轮廓b2”和kn之间布置相同数量的离散点；以b2、g7、g6和kn’之间的离散点为起点，向内连接内轮廓上的离散点，向外连接外轮廓上的离散点，完成主网格线的划分。胎面4部分的次网格线，以分区d和分区c边界出的离散点为起点，依次连接b2和g7之间的离散点；带束层5与胎体6之间垫胶的次网格线，
以分区e和分区c边界上的离散点为起点，连接b2和g7之间的离散点。
83.s6、在完成各分区的网格线划分后，用生成的网格线去分割图5的轮胎二维面模型，将轮胎截面离散为符合有限元网格要求的模型，如图13所示。
84.s7、s6获得离散的二维面模型，包含有限元模型中关于节点、单元及面的信息，但并不能直接用于轮胎有限元计算，需要将这些模型信息转换为符合有限元求解器要求的有限元文件。不同有限元求解器对模型文件的格式要求是不同的，属于公开信息，这里不作阐述，基本上都是文本文件，用规定的格式去定义节点、单元和面。其中，节点对应小离散面的顶点，单元对应小离散面，二维有限元模型中单元面就是单元的边，单元面对应小离散面的边。根据节点、单元、面与小离散面的对应关系，采用计算编程的方法，提取离散面的顶点坐标值和离散面特征，按照规定的节点、单元和面的定义格式，输出到文本文件中，完成轮胎有限元网格模型文件创建，输出相应的有限元模型计算文件。
85.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“背”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
86.惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。