CN102222121A

CN102222121A - 用于模态仿真的有限元建模方法

Info

Publication number: CN102222121A
Application number: CN 201010145169
Authority: CN
Inventors: 郭庆; 刘兵; 韩鑫
Original assignee: Yanfeng Visteon Automotive Trim Systems Co Ltd
Current assignee: Yanfeng Automotive Trim Systems Co Ltd
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明公开了一种用于模态仿真的有限元建模方法，包括以下步骤：导入待分析物体的网格模型；检查该网格模型的完整性；建立所述组件之间的连接；建立所述组件的属性卡片和材料卡片；建立模态计算工况；导出经上述步骤处理的网格模型。采用这一方法，分析人员、工程师、甚至是对有限元分析方法不了解的人员都能快速建立分析模型，进行计算和查看结果，并提高分析模型质量，减少错误的发生。

Description

用于模态仿真的有限元建模方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程和软件技术领域，尤其涉及一种用于汽车内饰模态仿真的有限元建模方法。

背景技术

汽车内饰的固有频率作为其固有特性，它的高低对整车的NVH性能有重要的影响，不仅影响内饰的振动耐久性能，而且对整车的噪声控制也有较大的影响。在汽车内饰开发的过程当中，经常使用计算机仿真的方法来求解汽车内饰的固有频率，也就是所谓的模态仿真。

在模态仿真过程中，我们不仅关注仿真的准确性，而且还关注仿真的效率。仿真的准确性依赖于模型的准确性，汽车内饰是一个相对复杂的***，在模型建立的过程中，经常会出现材料参数，厚度信息以及内部连接等错误，这些错误可能造成最终模态仿真结果的失真。另一方面，仿真模型的建立，都是使用商业软件如Altair HyperMesh、ANSA等来实现的，这些商业软件都是适用于不同行业的通用前处理软件，而没有专门针对于特定分析的需求，仅仅依靠其原有的功能，往往造成了仿真模型建立效率低下，比如定义厚度，定义连接等只能用手动的方式来进行，不仅容易出错，而且重复工作量巨大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于模态仿真的有限元建模方法，使分析人员、工程师能快速建立分析模型，进行计算和查看结果，并提高分析模型质量，减少错误的发生。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于模态仿真的有限元建模方法，包括以下步骤：

(1)导入待分析物体的网格模型的文件的步骤，所述网格模型由网格单元组成，所述文件为include文件，且包含所述网格模型的组件和该组件所属的总成；

(2)检查所述网格模型的完整性的步骤；

(3)建立所述组件之间的连接；

(4)建立所述组件的属性卡片和材料卡片；

(5)建立模态计算工况的步骤，在所述网格模型中添加模态计算所需的一些参数卡片，并修改模态分析输出的上下限和输出阶数参数；

(6)导出经上述步骤处理的网格模型。

其中，在步骤(2)中，将调用一个配置文件，该配置文件是个文本文件，主要包含被调用的材料数据库的具体路径和名称，这样只要更改配置文件的信息，就能达到调用不同材料数据库的目的。

本发明通过二次开发编码，优化执行流程，利用配置的方式即可生成用于计算的网格模型文件，是完全面向计算机辅助工程工程师提出的。分析人员、工程师、甚至是对有限元分析方法不了解的人员都能使用此方法快速建立分析模型，进行计算和查看结果，并提高分析模型质量，减少错误的发生。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明的调用界面；

图3为检查组件的流程图；

图4为建立连接模块的流程图；

图5为建立连接组件的界面；

图6为建立连接组件的流程图；

图7为新建连接的界面。

具体实施方式

下面根据图1-7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本发明的用于模态仿真的有限元建模方法的流程图如图1所示，调用界面如图2所示。

基于Altair HyperWorks软件架构和TCL/TK编程语言，构造依次执行的六个功能模块，分别为：导入网格模型模块1、检查网格模型模块2、建立连接模块3、建立属性和材料卡片模块4、建立模态计算工况模块5、导出网格模型模块6。

点击图2所示的“Import Model”按钮，导入网格模型模块1以遍历循环的方式，选择要导入的待分析物体的网格模型的路径和文件。该文件是一个以“.dat”为后缀的、对应一个include文件的网格模型文件，里面包含有若干个总成(assembly)，每个总成里面又包含有若干个组件(component)，每个组件里面都包含着有限元网格信息。再把每个文件都导入到AltairHyperMesh中。通过HyperMesh Include Browser可以看到导入后的网格模型的层次结构。

网格模型导入完成后，点击图2所示的“Check Model”按钮，检查网格模型模块2可检查网格模型的完整性，即检查网格模型是否符合命名规范。结合图3，具体检查过程是，针对导入有限元网格模型中的每一个组件，先读取该组件的名字，并检查此组件的名字中是否有厚度信息，检查的方法是用TCL语言中的字符串查找函数查找组件名字字符串中是否含有^*P^*(或者^*p^*)，其中*为0-9之间的数字。如果此字符串函数能找到与之匹配的字符，那么就表明此组件的名字中含有厚度信息。前后两个*不一定相同，若^*P^*(^*p^*)为3P5，则表示厚度为3.5。再检查此组件所属的总成的名字中是否含有材料信息，检查的方法是先调用配置文件以加载信息，该配置文件是个文本文件，主要包含被调用的材料数据库的具体路径和名称，这样只要更改配置文件的信息，就能达到调用不同材料数据库的目的。用TCL语言中文件打开和读取函数来读取这个配置文件，获得材料数据库的信息。然后调用材料数据库，这是通过读取存储在一个远程或者本地目录中的材料数据库来实现的，数据库的文件格式是CSV文件格式。读取的材料数据库的字段有Material Code(材料编号)、E(杨氏模量)、PR(泊松比)、RHO(密度)这四个字段。读取的这四项材料信息被保存在一个组件名字字符串中，再用TCL语言的字符串查找函数，查找该字符串中是否含有材料编号。如果厚度信息和材料信息都能找到，那么就把此组件的信息，包括组件名字、组件编号(ID)、组件厚度信息、组件材料信息、组件材料编号、组件质量、组件所属总成的名字、组件所属总成的编号都输出到一个输出检查文件(CSV文件)中。如果此时发现网格模型有缺陷，那么可以做相应的更改(这样的更改包括更改组件和总成的命名)，然后再检查网格模型。查看CSV文件可以找出网格模型格式的错误。常见的错误有：没有找到属性、材料信息，没有找到组件或者总成信息等。

完整的网格模型导入后，如果对于单个网格模型没有建立好连接组件或者约束组件，那么这时可以通过建立连接模块3来建立连接组件、约束组件和建立连接。该模块的流程如图4所示。

建立连接模块3包括建立连接组件子模块31。点击图2中的“NewConnection Comps”按钮，即可运行该子模块，并弹出如图5所示的操作界面。网格模型是由网格单元组成的，常见的网格单元有2D四边形单元、2D三角形单元等。连接组件的建立是根据所选的网格单元，查找到网格单元所属的组件和总成后，自动建立和命名连接总成和连接组件。为了保证连接组件名称的唯一性，连接组件的名字中包含了该组件的编号信息。此外连接组件中还包含的信息有：连接类型和连接单元的厚度。结合图6，此模块运行时，针对每个连接组件i，先是读取此连接组件的名字，采用TCL语言中字符串分割函数split，读取分割组件名字中所包含的连接类型和连接数量n的信息。参考图5，连接类型就是指SCREW2、SCREW3、CLIP2和CLIP3中的SCREW和CLIP。用split函数分割时，也就是分割SCREW和CLIP这两个关键词。n就是SCREW2、SCREW3等后面的数字2或者3。根据连接类型和连接数量n，采用lsearch函数在整个网格模型中搜索所有的连接组件，测量这两两连接组件之间的距离，保存所有距离数据信息在一个临时变量temp中，并对此距离数据进行大小顺序排列。如果连接数量n为2，那么找出距离最小值所对应的连接组件j，把连接组件i和j用有限元中的1D单元进行连接。如果连接数量n为3，那么找出与连接组件i距离最小的两个连接组件j和k，把连接组件i、j和k用有限元中的1D单元进行连接。

建立连接模块还包括建立约束组件子模块32。点击图2中的“NewConstraint Comps”按钮即可运行该子模块，并弹出类似如图5所示的操作界面。约束组件的建立是根据所选的网格单元，查找网格单元所属的组件和总成后，自动建立和命名约束总成和约束组件。约束组件的名字中包含了该组件的编号信息、约束自由度和约束单元的厚度。

建立连接模块还包括新建连接子模块33。点击图2所示的“RigidlinksCreation”按钮，即可运行该子模块，并弹出如图7所示的操作界面。连接组件建立好之后，可以通过界面上的Auto(自动)和Manual(手动)两个功能模块来完成连接组件之间的连接。操作界面的时候，可以先对整个网格模型使用Auto(自动)模块，输入Tolerance(连接之间的距离容差)，选择Distribution(建立组件之间的连接模块所针对的对象是整个模型还是局部模型)，根据这些信息，此Auto子模块就能自动建立连接。如果有些连接是Auto子模块不能实现的，可以用Manual子模块来实现，选择需要连接的连接组件和连接自由度，根据这些输入信息，此Manual子模块就能相应的建立连接。图7界面中出现的Review(审阅)子模块，其功能是审阅已经建立好的和尚未建立好的连接组件，审阅的内容可以通过Tolerance(连接之间的距离容差)和unrealize(尚未连接)两个子选项来控制。建立好的连接保存在一个新的组件中，此组件的作用就是保存所有的连接信息。同时，连接一旦建立好了之后，会用file puts函数保存在本地目录中，保存的文件格式是CSV格式。本发明在此文件中记录了如下的连接信息：连接位置的XYZ坐标、连接的自由度、连接的数量、连接组件的名字和编号、连接组件之间的距离和连接实现的状态。在以后重新建立连接时，本发明会用file read函数读取此文件，并快速生成连接信息。当连接已经建立时，直接用file read函数读取此文件，用图7中的Regenerate按钮自动建立连接。

点击图2中“Prop & Mat Card Creation”按钮，建立属性和材料卡片模块4可在网格模型中添加相应的属性和材料卡片。属性卡片中的厚度信息从组件的名字中获取，先是用字符串分割函数split分割组件名字字符串，用正则表达式的方法来过滤含有^*P^*(或者^*p^*)的字符段，此字符段就是所需的厚度信息。根据此厚度信息，建立相应于此组件的属性卡片。材料卡片中的材料信息从组件所属的总成的名字中获取，先是用字符串分割函数split分割总成名字的字符段，用字符串操作函数string equal和string first匹配查找此字符段和材料库中的Material Code(材料编号)字符串是否相同，如果相同，那么此字符段就是所需的材料信息。如果不同，则在材料库中继续查找。如果始终都未找到，则说明此组件所属的总成名字字符串中不包含有材料信息。根据此材料信息，建立相应于此组件的材料卡片。

点击图2中的“Modal Analysis(Nast SOL 103)”按钮，即可运行建立模态计算工况模块5。包括以下两个子模块：建立整个网格模型的约束子模块和建立计算工况信息子模块。约束子模块的建立方法是：读取约束组件的名字，用split函数分割名字字符串，能得到约束自由度的信息。根据约束自由度信息建立网格模型的约束。建立网格模型的约束时，会用到上文所说的建立好的约束组件，根据约束组件的信息定义来建立网格模型的约束。计算工况信息子模块的建立方法是：根据建立好的网格模型约束，添加网格模型的EIGRL和LOADSTEP信息。此模块的功能是在网格模型中添加模态计算所需的一些参数卡片，并会弹出一个输入界面来修改模态分析输出的上下限和输出阶数参数，此界面的功能就是使修改EIGRL卡片所对应的值。

以上步骤完成后，最后在导出网格模型模块6中，以文件形式导出网格模型。具体实现过程是：循环遍历所有的include文件，在指定目录中，分别导出每个include文件，这些文件是以dat为后缀名的nastran格式文件。循环完毕后，导出一个以nas为后缀名的nastran主文件。导出网格模型时，***会自动在指定目录中先建立一个文件夹，然后建立一个以nas为后缀名的主文件，其中关联了在此目录下的其他网格模型文件。主文件中保存的信息有：属性、材料、连接和模态分析卡片。连接卡片保存着来自新建连接子模块33的连接信息，而模态分析卡片就是模态计算工况模块5实现的。其他网格模型文件中保存的信息是网格数据。

借助于本发明，人们拥有更方便的模态模型组织和计算方法，因为人们只需要按几个按钮，就可以自动完成模态模型的组织，便于具有各种不同知识结构的工程师的操作，并且避免疏忽所致的错误。

显然，在上述教导下，可能对本发明进行多种修正和变型，并在所附权利要求的范围内，本发明可实施为不同于具体描述的方式，比如采用其他编程语言和/或基于其他工程软件。

Claims

1.一种用于模态仿真的有限元建模方法，包括以下步骤：

(1)导入待分析物体的网格模型的文件，所述网格模型由网格单元组成，所述文件为include文件，且包含所述网格模型的组件和该组件所属的总成；

(2)检查所述网格模型的完整性；

(3)建立所述组件之间的连接；

(4)建立所述组件的属性卡片和材料卡片；

(5)建立模态计算工况，在所述网格模型中添加模态计算所需的一些参数卡片，并修改模态分析输出的上下限和输出阶数参数；

(6)导出经上述步骤处理的网格模型。

2.根据权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，在所述导入待分析物体的网格模型的文件的步骤中，以遍历循环的方式，选择要导入的所述文件，再把每个所述文件导入到Altair HyperMesh中。

3.根据权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，在所述检查网格模型的完整性的步骤中，检查是否能获取所述网格模型的组件的厚度信息和该组件所属的总成的材料信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的有限元建模方法，其特征在于，在所述检查网格模型的完整性的步骤中，针对每个所述组件，执行如下步骤：

(4-1)读取所述组件的名字，检查所述名字中是否有厚度信息；若没有厚度信息，则跳转(4-3)；否则，进入(4-2)；

(4-2)检查所述组件所属的总成的名字中是否含有材料信息：若没有材料信息，则进入(4-3)；否则，跳转(4-4)；

(4-3)对所述网格模型进行更改，跳转(4-1)；

(4-4)把组件信息输出到一个输出检查文件，并退出。

5.根据权利要求4所述的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤(4-2)包括：

(5-1)读取一个配置文件，所述配置文件是一个包含被调用的材料数据库的具体路径和名称的文本文件；

(5-2)调用材料数据库，读取所述材料数据库的字段，并保存在一个组件名字字符串中；

(5-3)查找所述组件名字字符串中是否含有材料编号。

6.根据权利要求4所述的有限元建模方法，其特征在于，所述组件信息包括组件名字、组件编号、组件厚度信息、组件材料信息、组件材料编号、组件质量、组件所属总成的名字、组件所属总成的编号。

7.根据权利要求5所述的有限元建模方法，其特征在于，所述字段包括材料编号、杨氏模量、泊松比和密度。

8.根据权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立所述组件之间的连接的步骤包括：

(8-1)判断连接组件是否已建立：若是，则读取包含连接信息的组件；否则，建立连接组件；

(8-2)判断约束组件是否已建立：若是，则进入(8-3)；否则，先建立约束组件，然后进入(8-3)；

(8-3)新建连接。

9.根据权利要求8所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立连接组件的步骤包括：

(9-1)根据所选的所述网格单元，查找其所属的组件和总成，命名连接总成和连接组件，并保证所述连接组件名称的唯一性；

(9-2)确定当前的连接组件；

(9-3)读取所述当前连接组件的名字，获取其中包含的连接类型和连接数量n，其中n为2或3；

(9-4)测量所述当前连接组件与其他各连接组件之间的距离，并保存该距离；

(9-5)根据所述连接数量n，找出n-1个与所述当前连接组件距离最小的连接组件，并用有限元中的1D单元将它们分别与所述当前连接组件连接；

(9-6)判断是否已遍历所有连接组件：若是，则退出；若否，则将下一个连接组件作为当前的连接组件，并跳转(9-3)。

10.根据权利要求8所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立约束组件的步骤包括根据所选的网格单元，查找其所属的组件和总成，自动建立和命名约束总成和约束组件。

11.根据权利要求10所述的有限元建模方法，其特征在于，所述约束组件在命名之后，其名字中包含所述组件的编号信息、约束自由度和约束单元的厚度。

12.根据权利要求8所述的有限元建模方法，其特征在于，所述新建连接的步骤包括输入连接之间的距离容差，并确定建立所述组件之间的连接所针对的对象是整个模型还是局部模型，自动地建立所述连接组件之间的连接。

13.根据权利要求8所述的有限元建模方法，其特征在于，所述新建连接的步骤包括选择需要连接的连接组件和连接自由度，手动地建立所述连接组件之间的连接。

14.根据权利要求8至13任一项所述的有限元建模方法，其特征在于，所述新建连接的步骤包括将建立好的连接保存在一个新的组件中以保存连接信息的步骤。

15.根据权利要求14所述的有限元建模方法，其特征在于，所述连接信息包括连接位置的XYZ坐标、连接的自由度、连接的数量、连接组件的名字和编号、连接组件之间的距离和连接实现的状态。

16.根据权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立属性和材料卡片的步骤包括添加属性卡片的步骤和添加材料卡片的步骤。

17.根据权利要求16所述的有限元建模方法，其特征在于，所述添加属性卡片的步骤包括：

(17-1)从所述组件的名字中获取厚度信息；

(17-2)根据所述厚度信息，建立相应于所述组件的属性卡片。

18.根据权利要求16所述的有限元建模方法，其特征在于，所述添加材料卡片的步骤包括：

(18-1)从所述组件所属的总成的名字中查找与材料库中的材料编号字符串相同的字符段，所述字符段即所需的材料信息；

(18-2)根据所述材料信息，建立相应于所述组件的材料卡片。

19.根据权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立模态计算工况的步骤包括建立整个模型的约束的步骤和建立计算工况信息的步骤。

20.根据权利要求19所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立整个模型的约束的步骤包括：

(20-1)读取约束组件的名字，从中得到约束自由度；

(20-2)根据所述约束自由度，建立模型的约束。

21.根据权利要求19所述的有限元建模方法，其特征在于，所述建立计算工况信息的步骤是根据建立好的所述约束，添加所述网格模型的EIGRL和LOADSTEP信息。

22.根据权利要求1所述的有限元建模方法，其特征在于，所述导出网格模型的步骤包括：

(22-1)循环遍历所有的所述include文件；

(22-2)在指定目录中，分别导出每一个所述include文件；

(22-3)建立一个主文件，所述主文件关联了在所述目录下的其他网格模型文件，且所述主文件中保存的信息包括属性、材料、连接和模态分析卡片，所述其他网格模型文件中保存的信息是网格数据。