一种板式卫星结构共节点网格快速生成方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种板式卫星结构共节点网格快速生成方法，属于航天器结构分析的技术领域。
【背景技术】
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[0002]目前卫星结构多采用蜂窝夹层板承受和传递力学载荷，并为仪器设备提供安装支撑。为了验证卫星结构的设计是否满足要求，工程中一般采用有限元方法对其进行力学性能分析。卫星结构的几何模型一般采用三维实体进行建模，但在有限元建模时一般采用板壳结构单元进行力学模拟。如果直接由三维实体抽取中面后划分有限元网格，则由于相邻面之间的间隙会导致有限元网格的不连续；如果采用刚性连接单元进行单元连接，则一方面要求相邻面上的网格比较匹配以利于创建刚性连接单元，另一方面刚性连接单元的创建会对结构引入附加的刚度;除此之外，刚性连接单元的创建还会增加有限元分析的计算量，特别是对于卫星结构分析中常见的模态分析和频率响应分析等动力学分析情形。因此工程中希望能生成共节点的有限元网格。卫星结构共节点网格快速生成的主要难点是:由于蜂窝夹层板厚度的存在，从三维实体模型提取中面后得到的几何模型中，相邻面之间存在间隙，无法直接生成有限元网格。为了实现共节点网格的划分，需要首先对面进行延伸或裁剪，从而消除面与面之间的间隙或多余的部分。由于卫星结构中一般有几十块结构板，因此只依靠商业有限元软件自身的几何处理功能并通过人机交互方式实现整个卫星结构共节点有限元网格的生成将需要较高的技巧、大量的时间和烦琐的工作。
【发明内容】
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[0003]1、目的:为了实现卫星结构有限元模型的高效生成，本发明的目的是提供一种板式卫星结构共节点网格快速生成方法。该方法首先利用有限元软件的中面提取功能得到卫星结构板的中面几何模型，然后通过遍历获取需要进行处理的面对，其次对每组面对依次进行自动处理，从而获得整个卫星结构的几何模型，再次利用有限元软件的几何缝合功能实现将卫星结构的几何模型缝合为一个整体。在此基础上进行网格划分，得到基于板壳单元进行模拟的高质量共节点有限元网格。由于本方法实现自动处理，因此避免了大量的人机交互操作，需要的时间少，通用性强，适用范围广泛。
[0004]2、技术方案:本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]本发明一种板式卫星结构共节点网格快速生成方法，其特征在于它包括以下步骤:
[0006]步骤1:对导入有限元建模软件的卫星结构几何模型提取中面；
[0007]步骤2:获取需要处理的中面集合及其元素数目N:
[0008]步骤3:对所有的面对(A，B)进行以下操作:
[0009]步骤3.1:计算A和B的法向量之间的夹角Θαβ;
[0010]步骤3.2:若10°<0册<170°，则执行步骤3.3至3.10;
[0011]步骤3.3:找出A中所有需要向B延伸的边及其数目Na;
[0012]步骤3.4:若Να>0，则执行步骤3.5至3.6;否则执行步骤3.7至3.10 ；
[0013]步骤3.5:计算A中的边需要向B延伸的长度δΑ;
[0014]步骤3.6:将A中所有需要向B延伸的边延伸δΑ;
[0015]步骤3.7:找出B中所有需要向A延伸的边及其数目Nb;
[0016]步骤3.8:若Νβ>0，则执行步骤3.7;否则执行步骤3.9;
[0017]步骤3.9:计算B中的边需要向A延伸的长度δΒ;
[0018]步骤3.10:将B中所有需要向A延伸的边延伸δΒ;
[0019]步骤3.11:利用B分割A;
[0020]步骤3.12:删除A中面积较小的面；
[0021]步骤3.13:利用A分割B;
[0022]步骤3.14:删除B中面积较小的面；
[0023]步骤4:对所有的面进行缝合；
[0024]步骤5:对结构的几何模型划分有限元网格；
[0025]其中，在步骤I中所述的“对导入有限元建模软件的卫星结构几何模型提取中面”的方法为:现有的有限元软件一般都支持薄壁零件的中面提取功能，并且卫星蜂窝夹层板结构一般都是厚度均匀的，因此直接通过有限元软件的用户界面选择卫星模型中蜂窝夹层结构板的几何模型进行中面提取即可得到相应的中面几何模型；
[0026]其中，在步骤2中所述的“获取需要处理的中面集合及其元素数目N”的方法为:现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发得到模型中所有中面所组成的集合以及其元素数目。获取中面集合所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
[0027]其中，在步骤3.1中所述的“计算A和B的法向量之间的夹角ΘΑΒ”的方法为:假设A和B的单位法向量分别为ΠΑ = (ΠΑχ，ΠΑγ，ΠΑζ )和Γ1Β = (ΠΒχ，?ΙΒγ，ΠΒζ )，则它们之间夹角的余弦值为COS0AB = nAxnBx+nAynBy+nAznBz，从而利用初等代数中的反三角函数可以得到两个向量之间夹角为0AB = arccos (nAxnBx+nAynBy+nAZnBZ)；
[0028]其中，在步骤3.3中所述的“找出A中所有需要向B延伸的边及其数目Na”的方法为:现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发并按照以下方法实现:I)获取A所有的边Em ,..., EA4PB的一个顶点Vb ; 2)对每条边EAj (j = I，…，η)，假设其自然坐标表示为Pj (s) (O < s < I)，均匀地获取Nj+ 1个点卩』1< = ?』(1^^)仏=0，1厂"九)，其中％2 1000;3)取(1繼=-999999，(1 = 0，然后按照初等解析几何中的公式djk = ΠΒχ (Xjk-XB) +nBy (y jk-yB) +πβζ (ζ jk_ZB)依次计算每个点Pjk至IjB的有向距离，若I djk I > dmax，贝丨Jdmax= djk，d = djk ;其中(Xjk，yjk，Z jk )为Pjk在直角坐标系中的坐标，(XB，yB，ZB)为Vb的坐标，(ΠΒχ，My，ΠΒζ)为B的单位法向量;4)取abd = 999999，对每个点Pjk，若d.djk>O且 I djk I <abd，则abd= | djk I ; 5)若abd<0.04，则Smax = abd+0.01;否则3max =
0.05;6)Na=0，对每条边 EAj:若对 k = 0，l，…，Nj 均有 |djk| < δ.，则 EAj 标记为 I，Na=Na+1 ;否则EAj标记为O;在本步骤中获取A所有的边和B的顶点均可以通过软件的接口实现，并且在有限元软件中边或曲线一般会采用自然坐标进行表示，给定其自然坐标后可以通过接口得到其在直角坐标系下的坐标表示。本步骤中所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
[0029]其中，在步骤3.5中所述的“计算A中的边需要向B延伸的长度δΑ”的方法为:δΑ =δ./??ηθΑΒ，其中的值已经在步骤3.3中得到，ΘΑΒ的值已经在步骤3.1中得到；
[0030]其中，在步骤3.6中所述的“将A中所有需要向B延伸的边延伸δΑ”的方法为:现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发将A中所有需要向B延伸的边延伸δΑ。对一个面中的若干条边进行延伸所需要的二次开发接口函数可以通过查询有限元软件的相关帮助文档得到；
[0031 ]其中，在步骤3.7中所述的“找出B中所有需要向A延伸的边及其数目Nb”的方法为:现有的有限元软件一般都提供二次开发接口使得用户可以开发新的功能，因此可以利用相关的函数接口通过二次开发并按照以下方法实现:I)获取B所有的边Eb1 ,..., ΕΒ4ΡΑ的一个顶点Va ; 2)对每条边EBj (j = I，…，η)假设其自然坐标表示为Pj (s)(0<s<l),均匀地获取Nj+1个点卩』1< = ?』(1^^)(1^ = 0，1厂"九，)其中化2 1000;3)取(1題=-999999，(1 = 0，然后按照初等解析几何中的公式如=1^^1<1)+1^(7』10^)+1^(2」1