CN101013454A - Cae软件***网格剖分的智能化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能化的计算机辅助工程软件***，适用于机械、汽车、建筑、水利、交通、能源、航空、航天、船舶等领域的结构设计计算与分析的CAE软件***网格剖分的智能化方法，第一步，有限元建模；第二步：网格剖分和智能加密；施加约束；施加载荷；可以降低用户的学习负担，另一方面也提高了对自动剖分程序成功率的要求，因为没有可供替代的第二种算法。对于自动剖分，其追求的理想目标是“一键通”，即仅用鼠标点击一下剖分菜单，不再需要作其他的任何操作的优点。

Description

CAE软件***网格剖分的智能化方法

技术领域

本发明属于智能化的计算机辅助工程软件***，适用于机械、汽车、建筑、水利、交通、能源、航空、航天、船舶等领域的结构设计计算与分析的CAE软件***网格剖分的智能化方法。

背景技术

在网格自动剖分领域提出过多种算法，如区域映射法、波前填充法等等。但这些算法一般只针对某种特殊情况，很难适用于通用的有限元模型。最近10余年国际上著名的CAE软件厂商都纷纷采用Delaunay算法，因为Delaunay算法具有坚实的数学基础，可以适用于通用有限元三维模型。对于前期提出的一些非通用算法，一些软件厂商，如ANSYS则采用兼收并蓄的策略，他们往往提供多种方法供用户选择。

Delaunay算法的核心思想是从上而下的变换。在算法开始前一般要求先建立一个相容的凸包，将需要剖分的模型包在其中，然后将模型中预先布好的点***其中，每***一个点都需要进行一次局部变换，以保证其优化单元目标的实现，直至将模型上的每一个点***完毕。当Delaunay算法完成之后，模型网格被包围在一个凸包网格之中，需要将多余的体外点剪除并重新取出模型表面网格。

智能剖分成功有两方面的含义：(1)有些复杂模型，采用各种技巧和多种剖分尺寸都无法通过，这一般是剖分程序在某些关键点上限制过紧，或由于计算中的舍入误差等造成。要提高这一类问题的剖分成功率应该放宽剖分核心程序在这些关键点上的剖分限制，同时应该矫正由于限制放宽带来的问题。(2)有相当多的模型对剖分尺寸敏感，仅在某一特定剖分尺寸区域可以顺利通过剖分，有时需要在一些特征区域，例如孔、圆角处采用局部加密措施。对于这一类问题主要采用一定的人工智能算法，如对小特征区域的自动加密算法，对薄壁结构等比较困难的模型采用特征区域探测算法等。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的缺陷而提供一种可以降低用户的学习负担，另一方面也提高了对自动剖分程序成功率的要求，因为没有可供替代的第二种算法。对于自动剖分，其追求的理想目标是“一键通”，即仅用鼠标点击一下剖分菜单，不再需要作其他的任何操作。目前虽然从理论上还不能保证算法100％成功，但我们可以尽量提高剖分成功率，使之接近99.9％，以获得实用上的全概率通过的CAE软件***网格剖分的智能化方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明按照下列步骤进行操作：第一步，有限元建模；有限元建模是指将造型的实体转为可供下游有限元分析用的力学分析模型，并将控制方程离散到各个组成节点上，求解各种未知物理量；第二步：网格剖分和智能加密；在不可忽略几何尺寸突然变化的局部细节，表征这些细节的尺寸与总体尺寸相比又很小；这就需要采用网格疏密合理过渡的剖分，网格智能加密功能，能对拐角、沟槽、倒角、圆孔等自动识别，并自动进行网格加密；施加约束；真实的零部件是有约束的，目的是求出物体在真实约束状况下，受到真实载荷后的变形和应力；施加载荷；用智能CAE软件***进行分析时，必须在剖分前对CAD实体施加载荷。

上述2个步骤完成后进行结构分析；将提供六种结构分析方法：第一种：线性静力分析-结构在静力载荷作用下变形和应力都在弹性范围内；第二种：线性动力响应-结构在动力载荷作用下，变形和应力都在弹性范围内时结构的动力响应，即求随时间变化的位移、速度、加速度、应力和应变等；第三种：线性频率分析-求解结构自由振动时的固有频率及其相应的模态；第四种：线性屈曲分析-求解结构在给定约束和受力情况下的临界载荷；第五种：非线性静力分析-指结构在静力载荷作用下，应力超过了材料的屈服极限，或变形超过一定程度，应变与位移之间呈非线性关系，前者称为材料非线性，后者称为几何非线性；第六种：非线性动力响应分析-结构在随时间变化的动力载荷作用下的材料非线性和几何非线性分析，或仅材料非线性分析，或仅几何非线性分析。

进行结构分析完成后进行分析结果后处理；三维实体在有约束的情况下，受力后会变形，会产生应力，这些变形和应力在三维实体中是连续变化的；用某种颜色表示一定的变形、应力量值，那么受力物体颜色均匀过渡的彩图，就对应于一个变形、应力场；其中各种颜色色标所对应的值就反映了大小和范围。

所述的步骤2中提供四种约束方式，边、面约束、指定点约束、面的法向约束和圆柱面上的约束。

所述的步骤2中可以施加体力、面力和点载荷。

所述的体力载荷包括重力和离心力两种；面力载荷包括均布拉压力、线性拉压力、方向载荷和扭矩四种。

所述的分析结果后处理具有的方法，包括自动旋转、旋转、缩放、平移、剖面显示、叠加坐标系、叠加有限元网格、局部放大、列表显示。

本发明具有如下优点：智能剖分成功有两方面的含义：(1)有些复杂模型，采用各种技巧和多种剖分尺寸都无法通过，这一般是剖分程序在某些关键点上限制过紧，或由于计算中的舍入误差等造成。要提高这一类问题的剖分成功率应该放宽剖分核心程序在这些关键点上的剖分限制，同时应该矫正由于限制放宽带来的问题。(2)有相当多的模型对剖分尺寸敏感，仅在某一特定剖分尺寸区域可以顺利通过剖分，有时需要在一些特征区域，例如孔、圆角处采用局部加密措施。对于这一类问题主要采用一定的人工智能算法，如对小特征区域的自动加密算法，对薄壁结构等比较困难的模型采用特征区域探测算法等。

附图说明

图1本发明的实施方法方框图。

图2为判定点是否在结构体内的简图。

图3为点分类算法退化情况的简图。

图4为包围盒决定最短检测线的简图。

图5为混合模型自动剖网算法的方框图。

图6为模型合成及形成计算文件的方框图。

图7为分离实体模型的简图。

图8为阀门模型线廓图。

图9为阀门结构网格图。

图10为卧式齿轮箱模型线框图。

图11为卧式齿轮箱有限元网格图。

图12为汽车后桥模型线框图。

图13为汽车后桥有限元网格图。

具体实施例

如图1所示，本发明按照下列步骤进行操作：第一步，有限元建模；有限元建模是指将造型的实体转为可供下游有限元分析用的力学分析模型，并将控制方程离散到各个组成节点上，求解各种未知物理量；第二步：网格剖分和智能加密；在不可忽略几何尺寸突然变化的局部细节，表征这些细节的尺寸与总体尺寸相比又很小；这就需要采用网格疏密合理过渡的剖分，网格智能加密功能，能对拐角、沟槽、倒角、圆孔等自动识别，并自动进行网格加密；施加约束；真实的零部件是有约束的，目的是求出物体在真实约束状况下，受到真实载荷后的变形和应力；施加载荷；用智能CAE软件***进行分析时，必须在剖分前对CAD实体施加载荷。

上述2个步骤完成后进行结构分析；将提供六种结构分析方法：第一种：线性静力分析-结构在静力载荷作用下变形和应力都在弹性范围内；第二种：线性动力响应-结构在动力载荷作用下，变形和应力都在弹性范围内时结构的动力响应，即求随时间变化的位移、速度、加速度、应力和应变等；第三种：线性频率分析-求解结构自由振动时的固有频率及其相应的模态；第四种：线性屈曲分析-求解结构在给定约束和受力情况下的临界载荷；第五种：非线性静力分析-指结构在静力载荷作用下，应力超过了材料的屈服极限，或变形超过一定程度，应变与位移之间呈非线性关系，前者称为材料非线性，后者称为几何非线性；第六种：非线性动力响应分析-结构在随时间变化的动力载荷作用下的材料非线性和几何非线性分析，或仅材料非线性分析，或仅几何非线性分析。进行结构分析完成后进行分析结果后处理；三维实体在有约束的情况下，受力后会变形，会产生应力，这些变形和应力在三维实体中是连续变化的；用某种颜色表示一定的变形、应力量值，那么受力物体颜色均匀过渡的彩图，就对应于一个变形、应力场；其中各种颜色色标所对应的值就反映了大小和范围。所述的步骤2中提供四种约束方式，边、面约束、指定点约束、面的法向约束和圆柱面上的约束。所述的步骤2中可以施加体力、面力和点载荷。所述的体力载荷包括重力和离心力两种；面力载荷包括均布拉压力、线性拉压力、方向载荷和扭矩四种。所述的分析结果后处理具有的方法，包括自动旋转、旋转、缩放、平移、剖面显示、叠加坐标系、叠加有限元网格、局部放大、列表显示。

实施例1：如图8、图9所示，阀门结构分析：首先建立有限元模型，如图8是阀门的结构模型线廓图，结构是组合体模型，由三部分实体构成：上部阀盖，中部阀体和下部的主腔体；在模型施加约束和载荷，阀盖上端作用一个垂直向下的面载荷，下部腔体的两侧分别施加固定约束；对每个部分根据实际情况选择相应的材料参数，然后进行有限元网格剖分，生成有限元结构网格图，图9所示。

其次选择相应的结构分析功能-静力分析。最后求解计算，得到结构的应力云图，在后处理程序中可以用不同的颜色显示应力大小，列表显示准确的分析计算结果，动态显示变形过程等。

实施例2：如图10、图11所示，卧式齿轮箱结构：首先有限元模型的建立，如图10是卧式齿轮箱结构模型线框图，结构是组合体模型，由左右两部分实体成；在结构上施加约束和载荷，齿轮箱左右壁上轴承圆孔处施加齿轮啮合力，分解为轴向载荷和径向载荷，齿轮箱底部地脚螺栓的圆孔面施加固定约束；然后进行有限元网格剖分，生成有限元结构网格图，图11所示，约束孔径是小于剖分尺寸的特征，CAE***自动对小特征进行识别，对该区域自动智能加密。其次选择相应的结构分析功能-静力分析。最后求解计算，得到结构的有限元结果，在后处理程序中可以用不同的颜色显示位移大小，列表能够显示准确的分析计算结果，动态显示变形过程等。

实施例3：如图12、图13所示，汽车后桥模型：首先有限元模型的建立，如图12是汽车后桥模型线框图，对结构进行模态分析，在结构上施加约束，汽车后桥模型左端半圆面上施加约束，约束住坐标系下的轴向、径向和切向位移；然后进行有限元网格剖分，生成有限元结构网格图，图13所示，在小于剖分尺寸的特征处，CAE***自动对小特征进行识别，对该区域自动智能加密。其次选择相应的结构分析功能-频率分析。最后求解分析，得到结构的多阶固有频率和模态形状图，在后处理程序中可以显示各界频率的太小值，动态显示模态形状。

实现本发明的理论方法：

1、摄动的判别点在体内体外算法

如前所述，Delaunay算法必须在一个凸包中才能进行到底，因此为获得模型的网格剖分，必须在Delaunay算法完成点的全部***之后将多余的体外单元剪去，并重新提取模型表面的网格剖分。为判断哪些单元是体外单元，需要借助于点的体内体外判别算法。该算法是实现网格剖分的一个基础算法，除最后剪切模型外，在模型布点阶段也需要用此算法，以防止将点布到模型外面去。

该算法的原理如图2、3所示，有一任意形状的封闭曲面，定义了三维空间中的一个封闭的区域M，现有空间任意一点a，判断其是在M内或在M外。

取一辅助点b，令b在区域M外。这一点是容易做到的，只要取b离M充分远，即可保证b在体外。现从a引一线到b，若连线ab和M的边界有偶数个交点，则a在体外，若交点为奇数，则a在体内。

该算法在程序实现时还需要加入一些技巧以加快速度，并需要避免退化情况的出现。其中最常见的退化情况是连线ab和M的某一点相切或连线ab落在一个平面内，这样就破坏了交点的奇偶性。

在目前的CAD***中，模型一般采用边界表示法(Brep-BoundaryRepresentation Method)，即对模型的边界面给出详细的描述。为求出ab连线和模型边界面的交点就需要扫描Brep模型的面表(Face Table)。对于复杂模型这一扫描过程很慢，因此必须采取加速措施，否则过分慢的速度对于实际编程是不能接受的。首先对模型建立包围盒，如果点a在包围盒外，则可立即判别a在体外，否则需要进行下面的求交运算：对于需要进行体内体外检测的一点a计算其和包围盒最靠近的一面，如图4所示，然后向该面引一条垂线，并在包围盒外取垂线上任意一点b，将ab作为检测线。由于ab在所有方向上的可能检测线中是最短的，因此从平均意义上可以认为需要进行的求交运算较少或接近最少。

如图4所示，下面应该求出检测线ab和模型中面的全部交点，此时需对模型的全部面循环，为加速检测，对每一个面建立包围盒，如果线段ab与该面的包围盒没有相交，则不可能有交点，可快速跳过该面，否则要求出线段和该面可能的全部交点：对于平面只可能有一个交点，而曲面则可能有多个交点。我们知道计算机运算和手工运算的一个重要区别是：计算机一般需要一个整齐划一的数据结构。对于各种各样的曲面，目前CAD/CAE软件一般采用三角化的方法来统一表示，即不管曲面的类型，所有曲面一律采用三角形来逼近。CAD中的许多算法是建立在三角化的基础上的，如三维模型的光照显示，因此许多CAD***提供三角化功能。如果用户根据***提供的基础数据，自己实现三角化也不存在很大困难，因为这是一个可以确保成功的算法。在三角化的支持下，求检测线和面的交就转化为求线段和三角形的交点，由于三角化逼近曲面存在一定误差，当点很靠近面时，需要进行进行精细化计算。但这种情况很少见，因此对于绝大部分情况，点的体内体外判别算法保持了高速性。如前所述，为保持交点奇偶性不受破坏，必须要避免退化情况。我们注意到，检测线不一定是一条直线，只要是一条连续的折线即可，因此如果出现退化情况，可以将连线两端进行一个微小的摄动，以避免退化情况的出现。

2、智能化的微小特征识别和自动加密算法

一些实际的复杂零部件模型上往往有微小特征。常见的微小特征如倒角、小半径的孔等。有许多微小特征对有限元分析不产生影响，其中最典型的是倒角，此时应将倒角去除。去除倒角有两种方法：一种是利用上游CAD软件抑制微小特征的功能，例如SollidWorks就有这类功能，CAE可以从后台调用该功能，但这种方法对上游CAD软件的依赖性较强；另一种方法是在CAE软件中对这一类微小特征进行识别，并加以去除。对微小特征进行识别需要将常识性知识用计算机程序的方式表达出来，例如倒角一般是用一个小半径的圆柱面将两个面连接起来，因此我们可以在模型中搜索小半经的圆柱面，并判别该圆柱面的两侧是否有两个相联接的面。如果确定了该圆柱面是一个倒角，就可以将其连接的两个面延伸，并求出这两个面的交线，取代该圆柱面。对于孔一般需要局部加密，最常见的是圆柱形孔，这也可以采用常识判别法。对于圆柱面在其内法线方向上取一点，用前述的点分类算法，如果该点在体外，就可认为该圆柱面构成一个孔的壁。对于封闭的圆环，如果在其上仅布两个点，则无法表达出该圆环，要表达一个圆环最少需要三个点。这样一个圆环在有限元模型中就近似表达成一个三角形。对圆柱面也有同样问题，即在圆周方向上必须有三个点。如果该圆环和圆柱面在低应力区，并不是我们关心的主要区域，这种粗略的近似还是可以接受的。但用三角形表达一个圆环毕竟还是太粗略，比较好的表达是用六边形来近似。但是这里有一个有限元模型的布点效率问题。因为对于三维模型，点的数量和模型尺度的立方成正比，如果我们在一个区域用了较多的点来描绘一个特征，那么至少在此区域附近也应该布下较多的点，否则造成模型布点的密度变化过快，容易产生质量差的单元，对后面的数值分析是不利的。对于一个中等复杂的模型，布点数很容易达到数万的量级。如果要描绘出每一个微小特征，则很容易突破十万的量级。因此比较合理方法是，对于不重要的特征应尽量去除或用较少的点来描述，对于重要的特征，采用较多的点来描述。

在引入自动加密算法之后，还有一个和手工加密算法相容性的问题。为处理相容性，我们引入了优先级的概念：规定用户手工加密的优先级高于自动加密；在同一个区域，如果出现多个用户加密，则取其中密度最高的。采用这一套规则的优越性在于可以允许有经验的用户来补充***自动加密的不足，更灵活的解决一些复杂的工程问题。但另一方面由于用户掌握了高优先级，一些没有经验的用户可能产生不适当的加密，造成问题规模过大，无法实现计算分析等等。因此一般初学者可以尽量让***自动处理。目前本发明中引入了自动加密后，可以覆盖相当大一部分问题。由于自动算法根据专家经验，兼顾了小特征加密和可计算性之间的矛盾，其对问题的处理水平当然要高于一般初学者。

3、边界相容性修正及边界剪切算法

如前所述，在完成了Delauany剖分之后，必须要从一个凸包的网格中将模型网格取出来，这相当于在模型表面进行一次剪切操作。边界相容性可以表述为：模型网格中的所有连线都不能穿越边界，或所有连线在边界上必须断开。据此我们可以设计算法，扫描剖分网格中的所有连线。如果发现有穿越边界的连线，就将其在边界上断开。这会增加一些布点，有时会使增加的布点附近网格质量变差。因此在进行边界剪切之后，应在新增点附近进行局部变换，以改善网格质量。

4、组合体模型及多体问题的处理技术

组合体模型剖分的关键是保证其交界处的网格相容性。因此从本质上来说，组合体模型的自动剖分是一种带约束剖分，其方案框图如图4、5所示。

由于整个剖分过程分为三大步，每一步完成之后，除将结果数据暂存到一个临时文件中，以备最后合成处理之外，还需将可能产生几何约束的信息存入一个临时缓冲区。

以梁和板的混合结构为例，如果梁的端点在二维曲面内，则在二维剖分时端面上的点必须成为二维剖分中的节点；梁如果作为加强筋，则其和实体连接面上的所有节点都应成为二维剖分中的节点，因此这些点就必须成为二维剖分的预置点。

为判断哪些点是预置点，必须首先指出哪些点可能是预置点。对于复杂模型，这一扫描过程是很费时的，为此我们采用了多层包围盒技术。包围盒是一种简单的加速技术，适合于排除大量的不符合入围条件的对象。

如图5、6、7所示，我们对面产生一个包围盒box1，再对4条边产生4个包围盒box11、box12、box13、box14，对落入box1的点再判别其是否落入box11～box14之一，如果落入包围盒之内，则进行一次投影处理，如果投影点和该点本身的距离小于预设值deps，则认为该点在边上(或面上)，该点就进入预置点集。

由于组合体模型是由多个实体构成，其和单一实体剖分不同，经验证明用户容易产生模型方面的连接性错误，因此我们在模型合成及形成计算文件模块中。安排了模型连通域扫描算法。这是一个高效的算法，一般对几万个节点的模型，仅需1～2秒即可完成。模型连通域的意义如图6所示：如果用户造了二块分离的板，则连通域扫描算法的结果输出是LinkAreaNum＝2；如果用户在A板上加了约束，而在B板上施加了力，B板就会“飞离”了。实际情况中用户一般不会造出(a)的情况，但用户由于对上游CAD***认识不足，会造出大量的“背靠背”的或“贯穿”的，即貌似一体的分离模型。这需要利用本软件提供的功能来校正。

为适应多体问题的剖分，本发明引入了广义的网格密度控制算法。

基本理念是广义笼罩式加密。例如用户可以定义一个球加密，将需要对实体加密的部分笼罩在该球中，即可实现对这部分实体的局部加密。

广义笼罩加密的基本过程是：

(1)、定义一系列加密的区域(例如园柱、球、环等等)及其相应的加密参数；

(2)、将用户预定义数据保存到一个加密数据链表中；

(3)、在自动剖网布点时，扫描加密链表，查询点是否落入某加密区域中；

(4)、如果点处于加密区域中，则按预设的加密参数，获取网格尺度参数，否则参考Globalsige自动产生网格尺度参数；

(5)、按相应的尺度参数完成布点

由该算法可见，算法并没有对区域的具体定义作任何限制，因此实际上我们还可以增添其他新的加密形式，如立方体区域加密等等，只要方便用户定义及计算量不大即可。

Claims (7)

1、一种CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：按照下列步骤进行操作：

第一步，有限元建模；有限元建模是指将造型的实体转为可供下游有限元分析用的力学分析模型，并将控制方程离散到各个组成节点上，求解各种未知物理量；

第二步：网格剖分和智能加密；在不可忽略几何尺寸突然变化的局部细节，表征这些细节的尺寸与总体尺寸相比又很小；这就需要采用网格疏密合理过渡的剖分，网格智能加密功能，能对拐角、沟槽、倒角、圆孔等自动识别，并自动进行网格加密；施加约束；真实的零部件是有约束的，目的是求出物体在真实约束状况下，受到真实载荷后的变形和应力；施加载荷；用智能CAE软件***进行分析时，必须在剖分前对CAD实体施加载荷。

2、根据权利要求1所述的CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：上述两个步骤完成后进行结构分析；将提供六种结构分析方法：第一种：线性静力分析-结构在静力载荷作用下变形和应力都在弹性范围内；第二种：线性动力响应-结构在动力载荷作用下，变形和应力都在弹性范围内时结构的动力响应，即求随时间变化的位移、速度、加速度、应力和应变等；第三种：线性频率分析-求解结构自由振动时的固有频率及其相应的模态；第四种：线性屈曲分析-求解结构在给定约束和受力情况下的临界载荷；第五种：非线性静力分析-指结构在静力载荷作用下，应力超过了材料的屈服极限，或变形超过一定程度，应变与位移之间呈非线性关系，前者称为材料非线性，后者称为几何非线性；第六种：非线性动力响应分析-结构在随时间变化的动力载荷作用下的材料非线性和几何非线性分析，或仅材料非线性分析，或仅几何非线性分析。

3、根据权利要求2所述的CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：进行结构分析完成后进行分析结果后处理；三维实体在有约束的情况下，受力后会变形，会产生应力，这些变形和应力在三维实体中是连续变化的；用某种颜色表示一定的变形、应力量值，那么受力物体颜色均匀过渡的彩图，就对应于一个变形、应力场；其中各种颜色色标所对应的值就反映了大小和范围。

4、根据权利要求1所述的CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：所述的步骤2中提供四种约束方式，边、面约束、指定点约束、面的法向约束和圆柱面上的约束。

5、根据权利要求1所述的CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：所述的步骤2中施加体力、面力和点载荷。

6、根据权利要求5所述的CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：所述的体力载荷包括重力和离心力两种；面力载荷包括均布拉压力、线性拉压力、方向载荷和扭矩四种。

7、根据权利要求3所述的CAE软件***网格剖分的智能化方法，其特征在于：所述的分析结果后处理具有的方法，包括自动旋转、旋转、缩放、平移、剖面显示、叠加坐标系、叠加有限元网格、局部放大、列表显示。

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