骨架模型的元建模研究范文

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《電子機械工程雜志》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。進行協(xié)同建模時，總體應根據輸入的三維模型建立系統(tǒng)骨架，然后向1級分系統(tǒng)下發(fā)，1級分系統(tǒng)接收骨架后根據情況進一步細分骨架向下級分系統(tǒng)下發(fā)，直到最末級分系統(tǒng)接收到骨架后開始網格的詳細劃分，末級分系統(tǒng)詳細模型建立后上傳上級分系統(tǒng)，由上級分系統(tǒng)進行裝配和補充完善，然后再向更上一級分系統(tǒng)傳遞，最終模型由總體進行裝配并最終完成。

2協(xié)同建模要求

2．1建模骨架要求

建模骨架包含2方面內容:一是基于Hypermesh的建模骨架模型;二是與之對應的說明文件。建模骨架模型包含的要素包括:坐標系、總裝幾何模型(含分系統(tǒng)，可部分簡化)、接口網格定義等;說明文件包括網格數目要求、網格質量要求、單元類型要求等。總裝幾何模型為結構力學分析的對象，可根據仿真的需要對各系統(tǒng)幾何裝配分離面進行簡化，也可導入完整真實幾何裝配，簡化工作在網格產生時進行。接口網格定義主要用來定義各分系統(tǒng)之間的網格接口，確保網格模型方便裝配并協(xié)調一致。根據模型的特點，接口網格定義分為連續(xù)體模型接口網格定義和離散體模型接口網格定義2類。連續(xù)體模型接口網格包含一維、二維、三維和混合維4種形式。一維模型的接口包括桿、梁、索等單元類型的連接，骨架模型建立時需定義分離節(jié)點，分離節(jié)點兩側的模型應基于事先定義的節(jié)點建立網格，裝配時將網格節(jié)點進行融合(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)點要求，包含節(jié)點的位置和數目，分離線兩側的模型應基于事先定義的節(jié)點建立網格，裝配時將網格節(jié)點進行融合(示例如圖3所示)。三維模型的接口主要指實體模型的連接，需定義分離面的面網格，分離面兩側的模型應基于分離面的面網格建立，裝配時將網格節(jié)點進行融合并刪除面網格即可(示例如圖4所示)。混合維數模型的接口分為2種情況，自由度匹配時，可參照同維數模型的連接，定義公共節(jié)點或單元;自由度不匹配時應采用耦合自由度、多點約束等方式進行連接，骨架模型中應對采用多點約束或耦合自由度的節(jié)點進行定義并分組，裝配時同樣進行自由度耦合。離散體模型的網格定義適用于螺接、鉚接、點焊接等結構連接形式，不同系統(tǒng)結構之間連接多采用多點約束、耦合自由度、增加輔助單元(梁單元、彈簧元等)的多點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格定義時需定義中間節(jié)點和輔助單元。

2．2詳細建模要求

2．2．1幾何模型簡化孔的處理:根據孔所在的區(qū)域有選擇地對孔進行取消或保留處理。非關注部位的螺釘孔、鉚釘孔、塞焊孔等一般可忽略。布線孔、工藝孔、減重孔、定位孔等需根據孔徑大小確定，如孔徑與整體模型相比很小且在非關注區(qū)，可取消，反之則應保留。加強筋的處理:關鍵區(qū)域的加強筋應全部保留;對非關注區(qū)域的較大尺寸加強筋，一般應保留，尺寸較小的加強筋，可視情簡化;沖壓件下陷結構應保留原結構形式，不應簡化為平直結構。圓角/倒角的處理:對于傳力路徑上的關鍵過渡圓角/倒角應保留，其余位置的過渡外圓角/倒角一般可忽略。內圓角/倒角應視情況予以保留。凸臺的處理:與模型主體相比厚度較小、面積較小且處于非關注區(qū)域的凸臺，一般使其與周圍的表面同高;其他應按實際結構建模。質量元的處理:計算模型規(guī)模過大時，可對不宜忽略的質量結構通過集中質量元模擬簡化。簡化后的質量元應與原質量結構具有相同的質量、重心和轉動慣量，且對所關注的結構件仿真結果無影響或影響不大。

2．2．2網格劃分

2．2．2．1單元類型選擇單元類型包含實體單元、板殼單元、梁單元、桿單元、剛性單元、彈簧阻尼單元等多種類型。不同類型的單元具有不同的自由度、單元屬性、數學描述和積分方式，輸出的變量也有差異。網格劃分時要根據零部件的物理特征和仿真要求選擇相應類型的單元。1)實體單元用來模擬部件中的塊狀材料，因實體單元可通過其任何一個表面與其他單元相連，因此能夠用來模擬具有任何形狀、承受任意載荷的結構。2)殼單元用來模擬一個方向的尺寸(厚度)遠小于其他方向并且沿厚度方向的應力可以忽略的結構。一般，厚度小于結構典型尺寸的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)梁單元用來模擬某一個方向的尺寸(長度)遠大于另外兩個方向并且承受彎矩載荷的結構。當梁的橫截面尺寸小于典型結構軸向尺寸1/10時，應用梁理論計算的結果可以接受。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構、近似模擬線纜和彈簧(如桁架)，還可用來模擬其他單元里的加強構件。5)剛性體通常用于模擬非常堅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，可以簡化為彈簧阻尼單元。

2．2．2．2單元形狀選擇單元形狀應綜合考慮計算精度、計算規(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的等參元;面單元優(yōu)先選擇四邊形單元或相應的等參單元。2)對于形狀不規(guī)則的區(qū)域，無法使用六面體單元或四邊形單元時，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離關注的區(qū)域。3)一般仿真建模時優(yōu)先選用一階單元，應力計算中對局部精度有特殊要求時推薦使用二階單元。

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

2．3模型總裝要求

在Hypermesh軟件環(huán)境下，依次將分系統(tǒng)模型導入，融合相同內容部分并補充連接關系，完成系統(tǒng)模型的總裝。模型之間的連接參照接口網格定義方法。

3質量控制

模型裝配完成后需進行質量檢查，檢查內容和要求如表1所示。質量檢查后需進行試算，試算可采用模態(tài)分析的方法，進一步檢查模型網格質量和連接的匹配性。5結束語本文對基于骨架模型的協(xié)同有限元建模進行了研究，定義了協(xié)同建模的環(huán)境、流程、建模要求和質量控制要求等，在雷達結構仿真方面的優(yōu)勢如下:1)基于骨架模型的協(xié)同建模減少了局部仿真和系統(tǒng)仿真對模型的重復建立工作，有利于模型復用和研制效率提升;2)對建模要求的細化和質量控制，有利于提升仿真模型質量，從而提高仿真置信度;3)總體和分系統(tǒng)同時在骨架模型下開展建模工作，有利于仿真工作的并行開展。

作者：梁震濤楊志剛王賢宙劉炳輝單位：南京電子技術研究所