CN109948206B - 一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，利用节点构造菱形六面体网格，完成包含高能束槽线的平板网格划分；然后补齐平板网格四周四个端面；接着根据高能束槽线与平板宽度和高度方向上的比例关系，确定高能束槽线缺陷区的单元数；其次分别沿平板宽度和高度方向删除高能束槽线缺陷区的区域网格完成建模；最后根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息。本发明能够实现不同几何特征的高能束加工菱形图案的平板有限元网格建模，方法简便且效率高，供弹体做强度分析。

Description

一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法

技术领域

本发明涉及弹药技术领域，具体涉及一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法。

背景技术

为了提高战斗部的威力，采用高能束预控技术，可以使弹体在爆轰加载下获得形状和质量比较一致的预控破片，从而提高战斗部威力。高能束预控技术是使用电子束、激光束或者离子束等高能束将材料局部迅速加热到融化状态，弹体将融化的金属迅速冷却，在弹体上形成区域单元控制弹体的破碎。高能束菱形刻槽是指高能束刻槽的单元形状为菱形。在进行弹体高能束菱形刻槽设计时，需要对菱形刻槽的弹体强度进行分析，一般地可在弹体上取一平板试件进行分析。通过对高能束刻槽平板拉伸试验，可研究不同刻槽参数对弹体强度的影响，结合数值模拟分析，可获得高能束刻槽对弹体强度的影响规律。然而，由于平板高能束菱形刻槽的几何形状较为复杂，高能束加工的区域组成复杂，包含融化区、过渡区和缺陷区，如图1所示。

然而，由于平板菱形刻槽的几何形状较为复杂，利用商业建模软件实现平板菱形刻槽的有限元网格的建立非常耗时。首先建立菱形刻槽平板的三维模型，然后导入有限元软件进行网格划分，一般采用四面体网格划分，精度不高；若采用六面体网格，需要先对其中一个刻槽进行划分，然后镜像复制到其他刻槽，但是如果每个刻槽的角度不同，就不能直接镜像，还需要重新划分，步骤繁琐。另外，如需改变刻槽特征尺寸，则需要重新划分有限元网格，建模上大量的重复操作既繁琐又易出错，严重影响设计效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，能够实现不同几何特征的高能束加工菱形图案的平板有限元网格建模，方法简便且效率高，供弹体做强度分析。

本发明采取的技术方案如下：

一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，包括以下步骤：

步骤一、利用节点构造菱形六面体网格，完成包含高能束槽线的平板网格划分；

步骤二、补齐平板网格四周四个端面；

步骤三、根据高能束槽线与平板宽度和高度方向上的比例关系，确定高能束槽线缺陷区的单元数；

步骤四、分别沿平板宽度和高度方向删除高能束槽线缺陷区的区域网格完成建模；

步骤四、根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息。

进一步地，以平板长度方向为X方向，所述步骤一的具体方法为：

步骤101、计算笛卡尔坐标系下X、Y和Z方向的剖分数，并设定Z方向的剖分数；

步骤102、根据所述X、Y和Z方向的剖分数生成节点；

步骤103、沿X正方向移动节点，使所述移动节点与原Y向的节点连线与X方向呈刻槽角度的一半；

步骤104、根据刻槽深度、平板厚度及Z方向剖分数确定高能束槽线Z方向刻槽的网格区域；

步骤105、Z方向移动节点使槽底节点和刻槽深度一致；同时Z方向移动节点使槽线缺陷区上层节点与缺陷区高度一致；

步骤106、利用节点构造菱形单元，得到包含高能束槽线的菱形六面体网格。

进一步地，所述步骤二的具体方法为：

步骤201、X方向上的两个端面：复制X方向的起始端一列和结束端一列节点，分别沿X方向正、负两个方向移动得到两个端面的端面节点；对于已沿X正向移动的节点，复制移动后与由起始端一列或结束端一列复制移动后的节点共线；

Y方向上的两个端面：复制Y方向的起始端两列和结束端两列节点，分别沿Y方向正、负两个方向移动得到两个端面的端面节点；

步骤202、由节点构造四个端面的端面单元。

进一步地，所述步骤201的移动方法为：

X方向上：起始端一列和结束端一列移动距离取L_c/2N_x，已沿X方向移动的节点复制后移动距离取L_c/N_x，L_c为平板长度，N_x为X方向剖分数；

Y方向上：起始端第一列和结束端的最后一列移动距离可取b/N_y，起始端第二列和结束端的第二列移动距离取2b/N_y，b为平板宽度，N_y为Y方向剖分数。

进一步地，所述步骤202由节点构造端面单元的具体方法为：8个节点构造一个单元，按照先z，再y，然后x方向存储节点，节点索引index_nodei按下式计算，i、j、k分别为X、Y、Z三个方向的节点索引，N_x为X方向剖分数，N_y为Y方向剖分数，N_z为Z方向剖分数，

进一步地，所述步骤三的具体方法为：

步骤301、由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数确定过渡区区域单元；

步骤302、由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数确定融化区区域单元；

步骤303、由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数确定缺陷区区域单元。

有益效果：

1、本发明能够实现不同几何特征的高能束加工菱形图案的平板有限元网格建模，由于加工图案为菱形，本方法直接构造菱形六面体网格进行划分，简单易实现；若要更改高能束槽线特征尺寸，仅需更改构造菱形六面体网格的几何特征参数即可建模，避免了改变高能束槽线特征尺寸的同时，重新建立三维模型并划分有限元网格的操作，避免给分析人员带来大量的重复劳动，解决了高能束加工菱形图案平板的几何形状较为复杂、有限元网格的建立过程繁琐的问题，对高能束加工菱形图案的弹体分析提供了便利、效率高。

2、本发明通过移动节点的方式构造菱形六面体网格，通过改变节点的几何特征精确控制高能束槽线的尺寸，响应速度快。

3、本发明通过复制端部节点的方式移动补齐四个端面，构造出矩形端面，端面一致性好，便于与其他模型对接。

4、本发明限定端部节点的移动距离，使得构造出的矩形端面网格不会过大也不会过小，因此不会由于网格大小影响有限元步长的计算时间。

附图说明

图1为基于高能束加工的模型区域分布示意图；

图2为本发明平板菱形六面体网格的主视图；

图3为本发明平板的局部截面图；

图4为本发明菱形边长示意图；

图5为本发明节点沿X方向移动前示意图；

图6为本发明节点沿X方向移动后示意图；

图7为本发明8个节点构造一个单元的索引顺序示意图；

图8为本发明四个端面的节点移动示意图；

图9为本发明端面单元的网格划分示意图；

图10为本发明平板高能束菱形六面体网格划分示意图；

图11为本发明高能束槽线的菱形六面体网格划分示意图；

图12为本发明平板网格划分后的左视图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，利用节点构造菱形六面体网格进行包含高能束槽线的平板网格划分，补齐平板网格四周四个端面，然后根据高能束槽线与平板宽度和高度方向上的比例关系，确定高能束槽线缺陷区的单元数，分别沿平板宽度和高度方向删除高能束槽线缺陷区的区域网格完成建模，如图10、图11及图12所示，具体包括以下步骤：

步骤1、归纳平板高能束菱形刻槽的几何特征；

平板厚度t＝10mm，平板宽度b＝20mm，平板长度L_c＝100mm，刻槽宽度w＝1mm，刻槽深度h＝5mm，刻槽间隔a＝10mm，刻槽角度θ＝90°，槽线相交所得菱形沿刻槽宽度方向的单元数量N＝3，缺陷区高度h₀＝1mm，融化区宽度占刻槽宽度的比例S₀＝1/3。如图2、图3和图4所示。

步骤2、计算槽线相交所得菱形的边长；

如图4所示，槽线相交所得菱形边长用l表示，即菱形六面体网格边长，菱形边长l计算按式(1)计算得l＝1mm，

步骤3、计算笛卡尔坐标系下的X、Y、Z方向的剖分数；

以平板长度方向为X方向，X方向剖分数为N_x，Y方向剖分数为N_y，Z方向剖分数为N_z。N_z可根据需要给一个定值，X方向剖分数N_x和Y方向剖分数N_y可按式(2)计算，N_x＝212，N_y＝28，取垂直剖分数N_z＝10。

步骤4、生成平板节点；

根据步骤3的X方向剖分数为N_x，Y方向剖分数为N_y，Z方向剖分数为N_z生成平板内部节点，由线的端点得到线的节点，由对边节点得到面的节点，由对面节点得到体的节点。节点按照先X，再Y，然后Z方向存储，方便后续步骤构造菱形单元。

步骤5、X向移动节点；

对节点进行X正方向移动，在笛卡尔坐标系下，X、Y、Z三个方向的节点索引分别为i、j、k，其中，i＝1，2，……，N_x；j＝1，2，……，N_y；k＝1，2，……，N_z。则每个节点的移动距离Δx按式(3)计算，计算得Δx＝0.2358。如图5所示，虚线框I为移动前节点位置，如图6所示，虚线框I’为移动后节点位置。

步骤6、计算Z方向刻槽区域的网格；

Z方向要刻槽的网格数N’_r由式(4)计算得到N_r'＝5。

步骤7、Z方向移动节点使槽底节点和槽深一致；

Z方向移动节点使槽底节点和槽深一致，移动距离按式(5)计算，计算得

Δz＝0。

步骤8、计算缺陷区Z方向单元数；

缺陷区Z方向单元数用H_z表示，按式(6)计算得H_z＝1。

步骤9、Z方向移动节点使缺陷区上层节点与缺陷区高度一致；

在柱坐标系下，r、

z三个方向的节点索引分别为i、j、k，对索引i＝N_r-N'_r+H_r的节点进行径向移动，Z方向移动节点使缺陷区上层节点与缺陷区高度一致，移动距离按式(7)计算，计算得Δz_h＝0。

步骤10、由节点构造菱形单元；

八个节点构造一个单元，索引顺序如图7所示，以笛卡尔坐标系原点为节点1，y方向上的点为节点2，xy平面上的点为节点3，x方向上的点为节点4，z方向上的点为节点5，yz平面上的点为节点6，xyz空间内的点为节点7，xz平面上的点为节点8。对于按照先z，再y，然后x方向存储的所有节点，单元的节点索引index_nodei可按式(8)计算。构造的菱形单元按照先z，再y，然后x方向存储，方便后续刻槽。

当Y方向的索引j为偶数时按式(9)计算

步骤11、生成四个端面节点；

X轴负方向为后端面，X轴正方向为前端面，Y轴负方向为左端面，Y轴正方向为右端面。后端面的节点通过复制X方向起始端的第一列节点，然后沿X方向移动得到，移动方向为X轴负方向，移动距离可取L_c/2N_x，对于已向X正向移动的节点，复制后移动距离可取L_c/N_x。前端面的节点通过复制X方向结束端的一列节点移动后得到，移动方向为X轴正方向，移动距离可取L_c/2N_x和L_c/N_x。左端面的节点通过复制Y轴方向起始端的第一列和第二列节点，然后沿Y方向移动得到，移动方向为Y轴的负方向，起始端的第一列移动距离可取b/N_y，起始端第二列移动距离可取2b/N_y。右端面的节点通过复制Y轴方向结束端的最后两列节点，然后沿Y方向移动得到，移动方向为Y轴的正方向，第一列移动距离可取b/N_y，第二列移动距离可取2b/N_y，生成的四个端面节点如图8虚线框所示。

步骤12、由节点构造四个端面单元；

由8个节点构造一个单元，对于按照先Z，再Y，然后X方向存储的节点，单元的节点索引index_nodei可按式(10)计算，四个端面单元如图9所示。

步骤13、计算Y方向刻槽间隔网格数；

Y方向刻槽间隔网格数由刻槽宽度和单个槽的网格数量计算得到，可按式(11)计算。

步骤14、设置过渡区；

由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数分别确定刻槽区域单元的Y方向索引和Z方向索引，设置单元中所有满足Y方向索引和Z方向索引的单元为过渡区。

步骤15、计算融化区Z方向单元数和融化区宽度上单元数；

由式(12)计算融化区Z方向单元数H_m。

H_m＝N_z-H_z (12)

由式(13)计算融化区宽度上单元数N_m。

N_m＝NS₀ (13)

步骤16、设置融化区；

由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数分别确定融化区域单元的Y方向索引和Z方向索引，设置单元中所有满足Y方向索引和Z方向索引的单元为融化区。

步骤17、删除缺陷区单元；

由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数分别确定缺陷区域单元的Y方向索引和Z方向索引，设置单元中所有满足Y方向索引和Z方向索引的单元为缺陷区，删除缺陷区单元。

步骤18、输出单元和节点；

可依据不同求解器的格式要求，格式化输出网格的节点和单元信息。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用节点构造菱形六面体网格，完成包含高能束槽线的平板网格划分；

步骤二、补齐平板网格四周四个端面；

步骤三、根据高能束槽线与平板宽度和高度方向上的比例关系，确定高能束槽线缺陷区的单元数；

步骤四、分别沿平板宽度和高度方向删除高能束槽线缺陷区的区域网格完成建模；

步骤四、根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息。

2.如权利要求1所述的高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，其特征在于，以平板长度方向为X方向，所述步骤一的具体方法为：

步骤101、计算笛卡尔坐标系下X、Y和Z方向的剖分数，并设定Z方向的剖分数；

步骤102、根据所述X、Y和Z方向的剖分数生成节点；

步骤103、沿X正方向移动节点，使所述移动节点与Y方向的相邻节点连线与X方向呈刻槽角度的一半；

步骤104、根据刻槽深度、平板厚度及Z方向剖分数确定高能束槽线Z方向刻槽的网格区域；

步骤105、Z方向移动节点使槽底节点和刻槽深度一致；同时Z方向移动节点使槽线缺陷区上层节点与缺陷区高度一致；

步骤106、利用节点构造菱形单元，得到包含高能束槽线的菱形六面体网格。

3.如权利要求2所述的高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：

步骤201、X方向上的两个端面：复制X方向的起始端一列和结束端一列节点，分别沿X方向正、负两个方向移动得到两个端面的端面节点；对于已沿X正向移动的节点，复制移动后与由起始端一列或结束端一列复制移动后的节点共线；

Y方向上的两个端面：复制Y方向的起始端两列和结束端两列节点，分别沿Y方向正、负两个方向移动得到两个端面的端面节点；

步骤202、由节点构造四个端面的端面单元。

4.如权利要求3所述的高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，其特征在于，所述步骤201的移动方法为：

X方向上：起始端一列和结束端一列移动距离取L_c/2N_x，已沿X方向移动的节点复制后移动距离取L_c/N_x，L_c为平板长度，N_x为X方向剖分数；

Y方向上：起始端第一列和结束端的最后一列移动距离可取b/N_y，起始端第二列和结束端的第二列移动距离取2b/N_y，b为平板宽度，N_y为Y方向剖分数。

5.如权利要求3所述的高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，其特征在于，所述步骤202由节点构造端面单元的具体方法为：8个节点构造一个单元，按照先z，再y，然后x方向存储节点，节点索引index_nodei按下式计算，i、j、k分别为X、Y、Z三个方向的节点索引，N_x为X方向剖分数，N_y为Y方向剖分数，N_z为Z方向剖分数，

6.如权利要求1所述的高能束加工菱形图案的平板有限元网格参数化建模方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法为：

步骤301、由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数确定过渡区区域单元；

步骤302、由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数确定融化区区域单元；

步骤303、由Y方向刻槽间隔单元数和Z方向刻槽单元数确定缺陷区区域单元。

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