基于有限元分析的子模型快速分析的方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，具体涉及基于有限元分析的子模型快速分析的方法。

背景技术

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。在有限元分析中，可以在全局模型分析结果的基础上研究局部模型。通过初始的全局模型分析计算来确定在激励载荷作用下的最大响应区域，截取局部关注区域模型并细化其网格，将全局模型节点位移结果场插值到细化网格后的模型边界节点，并重新进行有限元计算，从而提高局部区域的分析精度。即采用粗网格模型得到局部关注区域周围的结果，利用插值技术获得局部区域边界节点的位移数值，驱动细化网格进行计算并得到局部分析结果。

现有技术abaqus中实行子模型分析的步骤如下：1、将CAD模型进行网格划分，并设置各计算参数；2、将全局模型提交计算，并获得全局模型的计算结果；3、将CAD模型进行剖分，获得关注的局部区域的CAD模型，对此CAD模型进行网格细化；4、设置局部区域模型中，需要进行插值的边界节点，设置子模型计算所需引用的数据为步骤2所得全局模型计算结果；5、将局部模型提交计算，求解器计算前，会自动将步骤2中的所需结果插值到步骤4中设置的边界节点上，以此驱动计算进行；6、获得局部模型计算结果，进行分析。上述方法却存在如下问题：1、需要原始CAD模型；2、需要对原始CAD模型进行剖分，以获得所关注的局部区域模型，当此区域形状复杂或此模型中所关注的区域数目过多时，需要在剖分流程上耗费较多时间；3、求解器在子模型计算时需要进行数据类型检查，计算时间较长。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了基于有限元分析的子模型快速分析的方法，目的是为了解决现有技术中利用子模型分析存在需要对原始CAD模型进行剖分，以获得所关注的局部区域模型，当此区域形状复杂或此模型中所关注的区域数目过多时，需要在剖分流程上耗费较多时间；以及求解器在子模型计算时需要进行数据类型检查，计算时间较长的技术问题。

本发明提供了基于有限元分析的子模型快速分析的方法，具体技术方案如下：

基于有限元分析的子模型快速分析的方法，包括如下步骤；

S1，网格划分，用模型尺寸的千分之一的一阶单元进行网格划分；

S2，将步骤S1的网格导出为点云数据或SDF数据，经过神经元网络训练，获得训练好后的神经元网络；

S3，在经过神经元网络训练的同时，采用满足计算需求的单元尺寸重新划分网格，并进行其余前处理步骤，提交计算，获得结果文件；

S4，对步骤S3中的结果进行分析，选取所需进一步分析的区域，获得区域内的所有单元，利用表面节点搜索进行处理，获得区域内，单元的外表面节点；

S5，提取步骤S4中所指定区域的大小及位置，将所获得的区域大小，位置作为输入条件，通过步骤S2训练后的神经元网络进行预测，获得该区域内的点云分布的表达式，即在笛卡尔坐标系下，可由任意两个坐标数值，计算第三个坐标数值；

S6，由用户指定离散程度，对步骤S4获得的区域的坐标范围进行离散，再通过步骤S5的表达式，生成点云，通过点云，生成网格；

S7，利用表面节点搜索进行处理，获得步骤S6生成的所有单元外表面节点；

S8，经过插值处理，将步骤S4所得的外表面节点结果插值到步骤S7所得的细化网格节点上；

S9，生成计算文件，后台提交计算并返回结果文件，获得步骤S4获得区域的精确计算结果。

在某些实施方式中，步骤S8中，所述插值处理包括如下步骤：

(1)获得步骤S6中单个精细网格节点的空间坐标；

(2)获得步骤S4中所选区域内的粗糙网格的所有网格形心坐标；

(3)根据步骤(2)中的形心与步骤(1)所得空间坐标的距离，获得距离最近的3个单元；

(4)判断步骤(1)中的节点是否位于步骤(3)中的3个单元内；

(5)如找到步骤(1)中的节点所处单元，则实行插值算法，如未找到，则返回步骤(3)，搜索次近的三个单元。

具体地，步骤(4)中，所述判定方法为PNPoly算法，方法如下：从步骤(1)中的节点引一条射线，计算所述射线与单元各表面的相交状况，如交点为奇数个，则点在单元内部，如交点为偶数个，则点在单元外部。

具体地，步骤(5)中，所述插值算法，采用基于单元形函数的差值方法。

本发明具有以下有益效果：1、神经元网络拟合与前处理可同时进行，无需额外时间。

2、获得结果文件后，不再需要CAD模型，所有子模型的设置均可在结果文件中实现。

3、用户可以随意挑选任意多关注区域，同时进行子模型分析。

4、通用于各类主流FEA软件，只需在数据接口方面进行适当调整。

附图说明

图1是本发明提供的基于有限元分析的子模型快速分析的方法流程图；

图2是实施例1中步骤S1中模型及网格图；

图3是实施例1中步骤S2中模型导出的点云数据可视化图；

图4是实施例1中步骤S2中神经元网络的结构图；

图5是实施例1中步骤S3中重新划分网格图；

图6是实施例1中步骤S3中提交计算结果图；

图7是实施例1中步骤S4中所需进一步分析的区域图；

图8是实施例1中步骤S5中新点云位置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供的基于有限元分析的子模型快速分析的方法，具体技术方案如下：

基于有限元分析的子模型快速分析的方法，包括如下步骤；

S1，网格划分，可用极小的一阶单元进行网格划分。具体操作如下：在abaqus软件中进行模型处理，包括以下步骤：几何导入，网格划分，在此步骤中，可将网格尽可能细化(细化水平影响后续插值精度)。本例采用单元尺寸为1mm，单元类型为二阶四面体单元，模型及网格如图2所示。

S2，将步骤S1的网格导出为点云数据或SDF数据，经过神经元网络训练，获得训练好后的网格参数文件。利用多层神经元网络对几何进行拟合的目的是将几何的特征信息存储到神经元网络中，从而能以极小的存储空间存储大规模的几何模型。在有限元仿真过程中，在生成网格后，可以获得单元及单元相关节点的空间坐标数据。单元及节点是对光滑几何的粗糙表达，可以利用空间节点数据或将其转化为SDF表达，再将其放入现有的多层神经元网络中进行拟合。本实施例中将模型导出为点云数据，导出的点云数据存储为扁平序列，通过jupyter notebook将其可视化，如图3所示。将点云数据提交给神经元网络进行拟合，神经元网络采用基于python的tensorflow进行编程，其网络结构如图4所示，输入即为点云的笛卡尔坐标，完成训练后，自动保存模型配置。

S3，在经过神经元网络训练的同时，采用适当的单元尺寸重新划分网格，并进行其余前处理步骤，提交计算，获得结果文件。本实施例具体如下：在神经元网络训练的同时，进行有限元计算模型的搭建。首先对网格尺寸进行调整，此时可由用户按需进行网格划分，包括全局尺寸的重新定义以及局部的的网格重划分，本次采用全局尺寸为2，重新划分的网格如图5所示，继续进行模型搭建，按照顺序分别为定义材料，创建分析步，添加边界条件及载荷，提交计算。以米塞斯应力为输出，所展示的结果如图6所示。

S4，对步骤S3中的结果进行分析，用户通过框选或逐一选择的方式，选取所需进一步分析的区域。本实施例中用户在软件中进行框选等操作，按需选取所需的区域，通过发明中的外表面自动选择功能，自动将所选择区域中的单元外表面过滤出来，所选择区域如图7所示，为非黑色区域。将上述所得的区域坐标范围(即区域在x，y，z轴所占范围)代入步骤S2所得的网络中进行预测，获得该区域的几何外轮廓表达关系，即获得特定空间范围内的产品几何外轮廓表达式。

S5，提取步骤S4中区域的大小及位置，通过神经元网络训练，获得所述区域的点云分布，可由用户指定点云的疏密程度。本实施例中，由用户决定细化程度，将步骤S4的区域坐标代入步骤S4所得的表达式中，获得该区域内，几何外轮廓上的离散点的坐标。细化程度为1，即与步骤S1保持一致，所得的新点云位置如图8中红色区域所示。

S6，通过步骤S5中的点云生成网格。

S7，利用表面节点搜索进行处理，获得所有单元外表面节点。在有限元模型中，节点为最基本组成，节点连线构成边，边相互包围形成面，面相互包围形成单元。单元与单元之间共用节点，如图所示。该区域的外轮廓可表达为区域内所有单元外表面集合的形式，也可以表达为外表面节点集合的形式。基于此目标，可以制定两类表面节点搜索技术。一是基于邻近单元表面的法向夹角，通过计算各单元面的法线方向，以一个单元表面为基础，搜索与其相邻的，法线夹角在一定范围内的所有单元表面，接着以获得的单元表面为基础，继续搜索，直至结束。二是通过单元之间共用单元表面的情况寻找外表面，可以发现，外表面均不会与其余单元表面重合，如用节点集合表示单元表面，s1＝{n1,n2,n3}，将所有单元表面均以此类型表达后，可将完全不重复的表面挑出，即为单元外表面。

S8，经过插值处理，将步骤S4所得的边界节点结果插值到步骤S7所得的细化网格节点上。插值处理包括如下步骤：(1)获得单个精细网格节点的空间坐标；(2)获得粗糙网格的所有网格形心坐标；(3)根据步骤(2)中的形心与步骤(1)所得空间坐标的距离，获得距离最近的3个单元；(4)判断步骤(1)中的节点是否位于步骤(3)中的3个单元内；(5)如找到步骤(1)中的节点所处单元，则实行插值算法，如未找到，则返回步骤(3)，搜索次近的三个单元。其中，步骤(4)所述判定方法为PNPoly算法，方法如下：从步骤(1)中的节点引一条射线，计算所述射线与单元各表面的相交状况，如交点为奇数个，则点在单元内部，如交点为偶数个，则点在单元外部。对于步骤4所述判定方法，本发明采用PNPoly算法进行判定，其方法为：从该点引一条射线，计算该射线与单元各表面的相交状况，如交点为奇数个，则点在单元内部，如交点为偶数个，则点在单元外部。

对于步骤5所述插值算法，采用基于单元形函数的差值方法，即通过该点与单元各顶点的连线将单元进行分割，单元各顶点对该点的分配关系可由分割所成体积比值确定。

S9，生成计算文件，后台提交计算并返回结果文件，获得此区域的精确计算结果。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。