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《電子機(jī)械工程雜志》2014年第三期

1基于骨架模型的協(xié)同建模流程

基于骨架模型的協(xié)同建模流程如圖1所示。進(jìn)行協(xié)同建模時(shí)，總體應(yīng)根據(jù)輸入的三維模型建立系統(tǒng)骨架，然后向1級(jí)分系統(tǒng)下發(fā)，1級(jí)分系統(tǒng)接收骨架后根據(jù)情況進(jìn)一步細(xì)分骨架向下級(jí)分系統(tǒng)下發(fā)，直到最末級(jí)分系統(tǒng)接收到骨架后開(kāi)始網(wǎng)格的詳細(xì)劃分，末級(jí)分系統(tǒng)詳細(xì)模型建立后上傳上級(jí)分系統(tǒng)，由上級(jí)分系統(tǒng)進(jìn)行裝配和補(bǔ)充完善，然后再向更上一級(jí)分系統(tǒng)傳遞，最終模型由總體進(jìn)行裝配并最終完成。

2協(xié)同建模要求

2．1建模骨架要求

建模骨架包含2方面內(nèi)容:一是基于Hypermesh的建模骨架模型;二是與之對(duì)應(yīng)的說(shuō)明文件。建模骨架模型包含的要素包括:坐標(biāo)系、總裝幾何模型(含分系統(tǒng)，可部分簡(jiǎn)化)、接口網(wǎng)格定義等;說(shuō)明文件包括網(wǎng)格數(shù)目要求、網(wǎng)格質(zhì)量要求、單元類(lèi)型要求等。總裝幾何模型為結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的對(duì)象，可根據(jù)仿真的需要對(duì)各系統(tǒng)幾何裝配分離面進(jìn)行簡(jiǎn)化，也可導(dǎo)入完整真實(shí)幾何裝配，簡(jiǎn)化工作在網(wǎng)格產(chǎn)生時(shí)進(jìn)行。接口網(wǎng)格定義主要用來(lái)定義各分系統(tǒng)之間的網(wǎng)格接口，確保網(wǎng)格模型方便裝配并協(xié)調(diào)一致。根據(jù)模型的特點(diǎn)，接口網(wǎng)格定義分為連續(xù)體模型接口網(wǎng)格定義和離散體模型接口網(wǎng)格定義2類(lèi)。連續(xù)體模型接口網(wǎng)格包含一維、二維、三維和混合維4種形式。一維模型的接口包括桿、梁、索等單元類(lèi)型的連接，骨架模型建立時(shí)需定義分離節(jié)點(diǎn)，分離節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的模型應(yīng)基于事先定義的節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)格，裝配時(shí)將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合(示例如圖2所示)。二維模型的接口主要指板殼模型的連接，需定義分離線的節(jié)點(diǎn)要求，包含節(jié)點(diǎn)的位置和數(shù)目，分離線兩側(cè)的模型應(yīng)基于事先定義的節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)格，裝配時(shí)將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合(示例如圖3所示)。三維模型的接口主要指實(shí)體模型的連接，需定義分離面的面網(wǎng)格，分離面兩側(cè)的模型應(yīng)基于分離面的面網(wǎng)格建立，裝配時(shí)將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合并刪除面網(wǎng)格即可(示例如圖4所示)。混合維數(shù)模型的接口分為2種情況，自由度匹配時(shí)，可參照同維數(shù)模型的連接，定義公共節(jié)點(diǎn)或單元;自由度不匹配時(shí)應(yīng)采用耦合自由度、多點(diǎn)約束等方式進(jìn)行連接，骨架模型中應(yīng)對(duì)采用多點(diǎn)約束或耦合自由度的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義并分組，裝配時(shí)同樣進(jìn)行自由度耦合。離散體模型的網(wǎng)格定義適用于螺接、鉚接、點(diǎn)焊接等結(jié)構(gòu)連接形式，不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間連接多采用多點(diǎn)約束、耦合自由度、增加輔助單元(梁?jiǎn)卧椈稍?的多點(diǎn)約束或耦合自由度形式，處理方式如圖5所示。離散體模型的接口網(wǎng)格定義時(shí)需定義中間節(jié)點(diǎn)和輔助單元。

2．2詳細(xì)建模要求

2．2．1幾何模型簡(jiǎn)化孔的處理:根據(jù)孔所在的區(qū)域有選擇地對(duì)孔進(jìn)行取消或保留處理。非關(guān)注部位的螺釘孔、鉚釘孔、塞焊孔等一般可忽略。布線孔、工藝孔、減重孔、定位孔等需根據(jù)孔徑大小確定，如孔徑與整體模型相比很小且在非關(guān)注區(qū)，可取消，反之則應(yīng)保留。加強(qiáng)筋的處理:關(guān)鍵區(qū)域的加強(qiáng)筋應(yīng)全部保留;對(duì)非關(guān)注區(qū)域的較大尺寸加強(qiáng)筋，一般應(yīng)保留，尺寸較小的加強(qiáng)筋，可視情簡(jiǎn)化;沖壓件下陷結(jié)構(gòu)應(yīng)保留原結(jié)構(gòu)形式，不應(yīng)簡(jiǎn)化為平直結(jié)構(gòu)。圓角/倒角的處理:對(duì)于傳力路徑上的關(guān)鍵過(guò)渡圓角/倒角應(yīng)保留，其余位置的過(guò)渡外圓角/倒角一般可忽略。內(nèi)圓角/倒角應(yīng)視情況予以保留。凸臺(tái)的處理:與模型主體相比厚度較小、面積較小且處于非關(guān)注區(qū)域的凸臺(tái)，一般使其與周?chē)谋砻嫱?其他應(yīng)按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模。質(zhì)量元的處理:計(jì)算模型規(guī)模過(guò)大時(shí)，可對(duì)不宜忽略的質(zhì)量結(jié)構(gòu)通過(guò)集中質(zhì)量元模擬簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的質(zhì)量元應(yīng)與原質(zhì)量結(jié)構(gòu)具有相同的質(zhì)量、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且對(duì)所關(guān)注的結(jié)構(gòu)件仿真結(jié)果無(wú)影響或影響不大。

2．2．2網(wǎng)格劃分

2．2．2．1單元類(lèi)型選擇單元類(lèi)型包含實(shí)體單元、板殼單元、梁?jiǎn)卧U單元、剛性單元、彈簧阻尼單元等多種類(lèi)型。不同類(lèi)型的單元具有不同的自由度、單元屬性、數(shù)學(xué)描述和積分方式，輸出的變量也有差異。網(wǎng)格劃分時(shí)要根據(jù)零部件的物理特征和仿真要求選擇相應(yīng)類(lèi)型的單元。1)實(shí)體單元用來(lái)模擬部件中的塊狀材料，因?qū)嶓w單元可通過(guò)其任何一個(gè)表面與其他單元相連，因此能夠用來(lái)模擬具有任何形狀、承受任意載荷的結(jié)構(gòu)。2)殼單元用來(lái)模擬一個(gè)方向的尺寸(厚度)遠(yuǎn)小于其他方向并且沿厚度方向的應(yīng)力可以忽略的結(jié)構(gòu)。一般，厚度小于結(jié)構(gòu)典型尺寸的1/10，可以用殼單元模擬，但是不要誤解為在殼單元中要求厚度必須小于單元尺寸的1/10。3)梁?jiǎn)卧脕?lái)模擬某一個(gè)方向的尺寸(長(zhǎng)度)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)方向并且承受彎矩載荷的結(jié)構(gòu)。當(dāng)梁的橫截面尺寸小于典型結(jié)構(gòu)軸向尺寸1/10時(shí)，應(yīng)用梁理論計(jì)算的結(jié)果可以接受。4)桿單元只能承受拉伸或者壓縮載荷，不能承受彎矩，適于模擬鉸接框架結(jié)構(gòu)、近似模擬線纜和彈簧(如桁架)，還可用來(lái)模擬其他單元里的加強(qiáng)構(gòu)件。5)剛性體通常用于模擬非常堅(jiān)硬的部件和變形部件之間的約束。6)如果變形體之間的局部特性不重要，可以簡(jiǎn)化為彈簧阻尼單元。

2．2．2．2單元形狀選擇單元形狀應(yīng)綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算規(guī)模等因素。一般選用原則如下:1)體單元優(yōu)先選擇六面體單元或相應(yīng)的等參元;面單元優(yōu)先選擇四邊形單元或相應(yīng)的等參單元。2)對(duì)于形狀不規(guī)則的區(qū)域，無(wú)法使用六面體單元或四邊形單元時(shí)，可以使用少量的四面體單元和三角形單元，但注意盡量使四面體單元和三角形單元遠(yuǎn)離關(guān)注的區(qū)域。3)一般仿真建模時(shí)優(yōu)先選用一階單元，應(yīng)力計(jì)算中對(duì)局部精度有特殊要求時(shí)推薦使用二階單元。

2．2．2．3具體網(wǎng)格劃分要求1)實(shí)體單元一般不少于3排。2)殼單元一般抽取薄壁件中面上劃分網(wǎng)格，且網(wǎng)格一般不少于2排。3)焊接邊、面、體處需劃分2排以上單元，建議采用焊接元對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。4)根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀和受力狀況，合理設(shè)置網(wǎng)格密度。在梯度變化較大的部位(如應(yīng)力集中區(qū))，為很好地反映局部響應(yīng)的變化特點(diǎn)，應(yīng)采用較密的網(wǎng)格。對(duì)于一般區(qū)域，為減少計(jì)算時(shí)間，可以采用較稀疏的網(wǎng)格。5)對(duì)于靜態(tài)分析，由于位移計(jì)算對(duì)網(wǎng)格數(shù)量不敏感，如果只計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移分布，網(wǎng)格可以疏一些;如需求解應(yīng)力分布狀態(tài)，需增加網(wǎng)格的數(shù)量。6)對(duì)于動(dòng)態(tài)分析，由于被激發(fā)的振型對(duì)網(wǎng)格規(guī)模比較敏感，使用的網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)該能夠充分反映出這些振型;如果只需要計(jì)算少數(shù)低階振型，網(wǎng)格可以少一些，如果需要計(jì)算高階振型，應(yīng)該增加網(wǎng)格的數(shù)量。

2．3模型總裝要求

在Hypermesh軟件環(huán)境下，依次將分系統(tǒng)模型導(dǎo)入，融合相同內(nèi)容部分并補(bǔ)充連接關(guān)系，完成系統(tǒng)模型的總裝。模型之間的連接參照接口網(wǎng)格定義方法。

3質(zhì)量控制

模型裝配完成后需進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查內(nèi)容和要求如表1所示。質(zhì)量檢查后需進(jìn)行試算，試算可采用模態(tài)分析的方法，進(jìn)一步檢查模型網(wǎng)格質(zhì)量和連接的匹配性。5結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)基于骨架模型的協(xié)同有限元建模進(jìn)行了研究，定義了協(xié)同建模的環(huán)境、流程、建模要求和質(zhì)量控制要求等，在雷達(dá)結(jié)構(gòu)仿真方面的優(yōu)勢(shì)如下:1)基于骨架模型的協(xié)同建模減少了局部仿真和系統(tǒng)仿真對(duì)模型的重復(fù)建立工作，有利于模型復(fù)用和研制效率提升;2)對(duì)建模要求的細(xì)化和質(zhì)量控制，有利于提升仿真模型質(zhì)量，從而提高仿真置信度;3)總體和分系統(tǒng)同時(shí)在骨架模型下開(kāi)展建模工作，有利于仿真工作的并行開(kāi)展。

作者：梁震濤楊志剛王賢宙劉炳輝單位：南京電子技術(shù)研究所