一种快速自动提取结构信息并对结构进行分析和优化的方法

技术领域

本发明属于结构分析和优化的技术领域，具体涉及一种快速自动提取结构信息并对结构进行分析和优化的方法。

背景技术

对结构的强度分析多基于相应的有限元模型和其分析结果。在对结构进行强度分析时，需要人工输入结构分析区域的相关单元编号、材料信息、结构尺寸等，效率较低，当有限元模型单元数量较多时容易发生错误。这种方法在结构的Catia实体数模尺寸频繁发生改动时，由于一次迭代分析时间较长，会增加整个结构的设计迭代周期，增加研发成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法的不足，提供一种快速的、自动的对结构强度分析和优化以及结构尺寸迭代的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案提供一种快速提取结构信息并对结构进行分析和优化的方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种快速自动提取结构信息并对结构进行分析和优化的方法，步骤如下：

1)自动提取结构细节有限元模型信息，生成分析结构许用载荷列表；

1.1)将分析结构按结构特征划分若干分析区域，按分析区域输入所分析结构的部分单元；

1.2)自动读取有限元模型文件，得到有限元模型的所有节点、单元、材料、属性数据，通过读取的有限元模型数据查询得到步骤1.1)输入的单元的节点、材料和属性，并通过输入的单元的节点查询得到与输入的单元相关联的其它单元及其节点、材料和属性；

1.3)自动计算分析结构几何信息；

完成步骤1.1)后，得到输入的单元，完成步骤1.2)后，得到步骤1.1)输入的单元的节点；通过分别计算步骤1.1)输入的单元的节点连接单元的个数判断为端点的节点，并计算端点间的距离得到每个分析区域的长度；完成步骤1.2)后，得到了与步骤1.1)输入的单元相关联的其它单元及其节点，计算每个分析区域内输入的单元的节点与相关联的其它单元的节点间距离得到分析区域的高度；

1.4)自动计算每个分析区域的许用载荷[F]；

完成步骤1.2)、步骤1.3)后，得到每个分析区域内单元的材料和属性数据，以及每个分析区域的长度、高度数据，通过各数据自动计算出每个分析区域的许用载荷[F]；

1.5)自动生成每个分析区域的许用载荷列表；

2)确定载荷工况，自动提取、输出每个分析区域的工作载荷，并自动完成结构强度分析及分析结果筛选；

2.1)确定并输入所分析结构的载荷工况编号；

2.2)完成步骤1.2)后得到每个分析区域的单元；完成步骤2.1)后得到载荷工况编号，据此自动提取出有限元结果文件中每个分析区域的单元在每个载工况下的工作载荷F；

2.3)自动完成结构强度分析；

完成步骤1.4)后得到每个分析区域的许用载荷[F]，完成步骤2.2)后得到每个分析区域的工作载荷F，自动计算出每个分析区域结构的安全裕度；

2.4)自动完成分析结果筛选；

得到每个分析区域在每个载荷工况下的安全裕度后，自动完成每个分析区域的最小安全裕度和每个载荷工况的最小安全裕度筛选；

3)依据设计要求，自动优化分析结构尺寸，最终使结构尺寸的设计达到最优化；

根据结构强度分析结果和设计要求，若分析区域强度不满足要求或有较大富裕，修改相应位置几何尺寸、材料和属性参数，再从步骤1.4)开始循环本方法，直至结构的设计达到最优化。

在一个具体的实施方案中，所述步骤1.2)具体过程如下：

1.2.1)完成步骤1.1)，输入所分析结构的每个分析区域的部分单元；

1.2.2)自动读取有限元模型文件，得到模型的节点和坐标值、单元和单元信息、材料和材料信息、属性和属性信息；

1.2.3)通过读取的有限元模型信息，查询得到步骤1.1)所输入的单元的两个节点N1和N2，通过节点N1和N2遍历所有单元，得到与输入的单元相关联的其它单元。

在一个具体的实施方案中，所述步骤1.3)具体过程如下：

1.3.1)完成步骤1.1)，输入所分析结构的每个分析区域的部分单元；

1.3.2)完成步骤1.2)，得到步骤1.1)输入的单元的节点，分别计算输入的单元的节点连接的单元个数n；

1.3.3)自动判断输入的单元的节点是否为分析区域的端点；

当n<2时，判定此节点不为分析区域的一个端点；

当n>2时，判定此节点为分析区域的一个端点；

当n＝2时，需进一步判断此节点是否为分析区域的一个端点；

当n＝2时，计算此节点连接的单元a和单元b的长度l

其中：

x

x

计算此节点连接的单元a在总体坐标系的x、y、z轴上投影的长度x

x

y

z

x

y

z

计算此节点连接的单元a的投影长度与单元长度的比值k

计算端点判断系数：

k＝Abs(k

当k＜0.8时，则判定此节点为分析区域的一个端点，否则判定此节点不为分析区域的一个端点；

1.3.4)完成端点判断后，得到分析区域两侧的端点坐标，计算分析区域长度；

其中：

x

x

1.3.5)完成步骤1.2)后，得到与步骤1.1)输入的单元相关联的其它单元及其节点；

1.3.6)计算步骤1.1)输入的单元节点1与相关联的单元节点1和节点2的最小距离：

其中：

x

x

x

计算步骤1.1)输入的单元节点2与相关联的单元节点1和节点2的最小距离；

其中：

x

计算输入的单元与相关联的单元间的平均距离；

1.3.7)计算每个分析区域内所有输入的单元与相关联的单元间的平均距离，然后计算分析区域的高度；

其中：

m为分析区域内输入的单元个数

d

在一个具体的实施方案中，所述步骤2.2)具体过程如下：

2.2.1)完成步骤1.2)后，得到分析区域的所有单元节点信息及单元的材料坐标系角度值θ；

2.2.2)根据单元4个节点Q1、Q2、Q3、Q4坐标，计算节点Q1、Q2连线长度h

其中：

x

x

x

计算节点Q1、Q2、Q3形成的三角形中节点Q2、Q3连线对应三角形内角的角度值：

计算节点Q2、Q4连线长度h

其中：

x

计算节点Q1、Q2、Q4形成的三角形中节点Q1、Q4连线对应三角形内角的角度值：

计算单元材料坐标系与载荷结果坐标系间夹角：

当Δ＞180时，

Δ＝Δ-180

2.2.3)根据单元材料坐标系与载荷结果坐标系间夹角Δ值判断工作载荷取值方向；

当Δ＞45并且Δ＜135时，此单元x向工作载荷值取有限元结果文件中的x向载荷值；否则此单元x向工作载荷值取有限元结果文件中的y向载荷值。

本发明的效果和益处是：

本自动快速提取结构信息并对结构进行分析和优化的方法，使得强度人员在完成结构有限元模型文件后，只需输入较少的单元，便可自动完成大量强度分析必要参数的提取、计算，较快的完成一轮结构分析及优化，加快结构尺寸迭代速度，缩短设计周期，节约研发成本。

具体地：

1、在得到有限元模型文件后，本发明只需输入结构需要分析区域的部分单元，即可自动查找与相关联的其它单元。尤其是对于单元数量较多的大规模有限元模型，可以大幅减少人工输入单元的数量，降低发生输入错误的概率；

2、本发明可以自动查询和计算强度分析所需的结构材料信息和尺寸信息等必要参数，无需在Catia实体数模和有限元模型文件中进行相关的测量和查询，节约时间成本，提高强度分析效率；

3、本发明可以自动判断工作载荷提取方向，无单元坐标系方向要求，简化有限元建模方法；

4、本发明在进行优化时，根据结构强度分析结果及设计要求，自动进行数据更新和循环分析，直至获得最优结构尺寸。

附图说明

图1为本发明实施的一种快速自动提取结构信息并对结构进行分析和优化的流程图。

图2为本发明单元输入界面。

图3为本发明完成的分析结果筛选。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

以某舱门结构为例，说明自动快速提取结构信息并对结构进行分析和优化的方法和工具的内容和步骤，流程如图1所示。附图均取自某舱门结构的分析工具中，此舱门结构的分析和优化均采用了本发明。

步骤一，将分析结构按横、纵梁交叉情况分若干分析区域，输入所分析结构的部分有限元单元，如图2所示；

步骤二，自动读取有限元模型文件，得到有限元模型的节点、单元材料和属性数据。通过读入的数据查询得到步骤一输入的单元的节点，并通过输入的单元的节点查询得到与输入的单元相关联的其它单元及其节点。此步的形成过程如下；

1)完成步骤一，填写所分析结构的部分有限元单元；

2)自动读取有限元模型文件，得到模型的节点编号和坐标值、单元编号和单元信息、材料编号和材料信息、属性编号和属性信息。通过查询读取的信息查询得到步骤一输入的单元的节点；

3)根据步骤一所输入单元的两个节点P1和P2，遍历得到与输入的单元相关联的其它单元。根据输入的内缘条单元的两个节点P1和P2，遍历腹板单元得到同样含有节点P1和P2的第一层腹板单元；通过第一层腹板单元另外两个节点P3和P4遍历腹板单元得到同样含有节点P3和P4的第二层腹板单元；通过第二层腹板单元另外两个节点P5和P6遍历腹板单元得到同样含有节点P5和P6的第三层腹板单元；通过第三层腹板单元另外两个节点P7和P8遍历外缘条单元得到同样含有节点P7和P8的外缘条单元；

步骤三，自动计算分析结构几何信息；

完成步骤一后，得到输入的单元。完成步骤二后，得到输入的单元的节点。分别计算输入的单元的节点连接的单元个数判断节点是否为端点，然后计算端点间距离得到分析区域的长度；完成步骤二后，得到与输入的单元相关联的其它单元及其节点，计算输入的单元的节点与相关联的其它单元的节点间距离得到分析区域的高度。此步的形成过程如下：

1)完成步骤一，得到输入的内缘条单元。完成步骤二，得到输入的内缘条单元的节点；

2)查询输入的内缘条单元的每个节点连接的单元个数n；

3)自动判断节点是否为分析区域端点；

当n<2时，判定此节点不为分析区域的一个端点；

当n>2时，判定此节点为分析区域的一个端点；

当n＝2时，需进一步判断此节点是否为分析区域的一个端点；

当n＝2时，计算此节点连接的单元a和单元b的长度l

其中：

x

x

计算此节点连接的单元a在总体坐标系的x、y、z轴上投影的长度x

x

y

z

x

y

z

计算此节点连接的单元a的投影长度与单元长度的比值k

计算端点判断系数：

k＝Abs(k

当k＜0.8时，则判定此节点为分析区域的一个端点，否则判定此节点不为分析区域的一个端点；

4)完成端点判断后，得到分析区域两侧的端点坐标，计算分析区域长度；

其中：

x

x

5)完成步骤二后，得到与步骤一输入的内缘条单元相关联的其它单元及其节点；

6)计算步骤一输入的内缘条单元节点1与相关联的外缘条单元节点1和节点2的最小距离：

其中：

x

x

x

计算步骤一输入的内缘条单元节点2与相关联的外缘条单元节点1和节点2的最小距离；

其中：

x

计算输入的内缘条单元与相关联的外缘条单元间的平均距离；

7)计算每个分析区域内所有输入的内缘条单元与相关联的外缘条单元间的平均距离，然后计算分析区域的高度；

其中：

m为分析区域内输入的内缘条单元个数

d

步骤四，自动计算每个分析区域的许用载荷[F]；

完成步骤二、步骤三后，得到每个分析区域的长度、高度数据，以及每个分析区域内单元的材料和属性数据。通过以上数据自动计算出每个分析区域的许用载荷[F]；

步骤五，自动生成每个分析区域的许用载荷列表；

步骤六，确定并输入所分析结构的载荷工况编号；

步骤七，完成步骤二后得到每个分析区域的单元；完成步骤六后得到载荷工况编号，据此自动提取出有限元结果文件中每个分析区域的单元在每个载工况下的工作载荷F。此步形成过程如下：

1)完成步骤二后，得到分析区域的所有单元节点信息及单元的材料坐标系角度值θ；

2)根据单元4个节点Q1、Q2、Q3、Q4坐标，计算节点Q1、Q2连线长度h

其中：

x

x

x

计算节点Q1、Q2、Q3形成的三角形中节点Q2、Q3连线对应三角形内角的角度值：

计算节点Q2、Q4连线长度h

其中：

x

计算节点Q1、Q2、Q4形成的三角形中节点Q1、Q4连线对应三角形内角的角度值：

计算单元材料坐标系与载荷结果坐标系间夹角：

当Δ＞180时，

Δ＝Δ-180

3)根据单元材料坐标系与载荷结果坐标系间夹角Δ值判断工作载荷取值方向；

当Δ＞45并且Δ＜135时，此单元x向工作载荷值取有限元结果文件中的x向载荷值；否则此单元x向工作载荷值取有限元结果文件中的y向载荷值。

步骤八，自动完成结构强度分析；

完成步骤四后得到每个分析区域的许用载荷[F]，完成步骤七后得到每个分析区域的工作载荷F，自动计算出每个分析区域结构的安全裕度；

步骤九，自动完成分析结果筛选；

得到每个分析区域在每个载荷工况下的安全裕度值后，自动完成每个分析区域的最小安全裕度和每个载荷工况的最小安全裕度筛选，如附图3所示；

步骤十，依据设计要求，自动优化分析结构尺寸，最终使结构尺寸的设计达到最优化；

根据结构强度分析结果和设计要求，若分析区域强度不满足要求或有较大富裕，修改相应位置几何尺寸、材料和属性参数，再从步骤四开始循环本方法，直至结构的设计达到最优化。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。