CN112182798A

CN112182798A - 一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法和结构

Info

Publication number: CN112182798A
Application number: CN202010955400.3A
Authority: CN
Inventors: 吴晓东; 马盛林
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: CN112182798B

Abstract

本发明公开了一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法和结构，将连接构件在板结构的结构面上表达为简化节点；板结构网格划分为板结构单元和板结构节点，简化节点和板结构节点之间构建有构件单元作为连接构件的等效单元，模拟连接构件在板结构面内的结构响应；构件单元与板结构单元之间设有连接单元实现的结构响应同步，在简化节点坐标位置创建若干复制节点替换板结构单元中的简化节点，本发明的连接构件的等效单元保留构件的物理特征并通过一维单元与板结构单元进行自由度同步及结构响应的传递；板结构单元忽略了嵌入连接构件的几何外形而只保留中心位置信息，划分得到的网格数量大幅减少，大幅减小计算机数值计算规模，提高求解效率，缩短求解时间。

Description

一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法和结构

技术领域

本发明涉及数值仿真分析技术领域，特别是指一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法和结构。

背景技术

数值仿真分析技术在工程应用时常常面对嵌入连接构件的板结构，如结构工程中常用的铆钉连接、螺栓连接、点焊连接、塞焊连接，集成电路中常用的过孔连接、通孔连接等。对此类板结构进行数值仿真分析过程中，由于嵌入的连接构件的特征尺寸较板结构特征尺寸小极多，直接依据连接构件的特征尺寸进行网格划分将导致模型规模暴增，极大影响计算效率，增加计算成本。

针对此类结构，现有数值仿***要有三种处理方法。

其一，保留嵌入连接构件的几何外形，以构件特征尺寸为依据进行网格划分，在板结构面中将构件简化为单一单元。该方法主要存在的问题是：板结构的最小网格尺寸为构件特征尺寸，无法有效减小模型规模。

其二，完全不保留嵌入连接构件的几何外形，以板结构的特征尺寸为依据进行网格划分。同时，对原有构件及其周边区域的板结构单元进行材料属性参数等效，从而大幅减小模型规模。该方法主要存在的问题是：仅能模拟连接构件对板结构产生的面内宏观影响，无法有效模拟构件对板结构的面外影响及局部面内影响。

其三，不保留嵌入构件的几何外形，以板结构的特征尺寸为依据进行网格划分，将构件简化为映射于板结构面的单一节点，从而大幅减小模型规模。该方法主要存在的问题是：仅能一定程度上模拟连接构件对板结构产生的面外影响，无法有效模拟构件对板结构产生的面内影响。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法和结构，大幅减小模型规模的前提下有效地同时模拟连接构件对板结构产生的面内影响及面外影响。

本发明采用如下技术方案：

一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将连接构件简化为板结构的结构面网格上的简化节点；

2)采用板结构几何特征尺寸对结构面进行二维网格划分，离散化为若干板结构节点及板结构单元；

3)在板结构的结构面上，根据简化节点、板结构节点构建构件单元作为连接构件的等效单元；

4)构建连接单元，实现构件单元与板结构单元之间的结构响应的传递；

5)对每个板结构单元进行节点替换，将每个板结构单元中的简化节点替换成复制节点。

优选的，步骤1)中，忽略连接构件的几何外形，只保留位置信息，将连接构件中心点位置简化为所述简化节点。

优选的，步骤2)中，所述板结构单元为由简化节点与各个板结构节点连线划分构成。

优选的，步骤3)中，所述构建构件单元具体包括如下步骤：

3.1)在简化节点坐标位置创建若干个复制节点，

3.2)在简化节点与板结构节点连线方向上，距离简化节点一定距离位置创建构件节点；

3.3)在结构面上，将简化节点与各个构件节点相连从而划分得到若干个所述构件单元。

优选的，步骤4)中，在结构面上，对若干个构件节点和若干个复制节点进行分组，连接各组的构件节点和复制节点从而形成所述连接单元。

优选的，所述连接单元为一维线性单元，采用刚性单元或柔性单元。

优选的，若板结构单元需要表示为三维实体单元时，则还包括步骤6)对板结构单元在板厚度方向上进行拉伸，包括如下：

6.1)沿板结构厚方向，将板结构节点、复制节点、构件节点及连接单元复制若干次，构成若干层；

6.2)依次连接相邻层对应的复制节点和板结构节点，形成三维棱柱状板结构单元；

6.3)依次连接相邻层对应的简化节点和构件节点，形成三维棱柱状构件单元。

8、如权利要求7所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤6)还可包括依次连接相邻层的简化节点，形成中线单元。

优选的，步骤6)还可包括使用切分节点对构件单元进行切分，构成若干组细分构件单元。

一种嵌入板结构的连接构件的网格结构，其特征在于：将连接构件在板结构的结构面上表达为简化节点；板结构网格划分为板结构单元和板结构节点，简化节点和板结构节点之间构建有构件单元作为连接构件的等效单元，模拟连接构件在板结构面内的结构响应；构件单元与板结构单元之间设有连接单元实现结构响应同步，在简化节点坐标位置创建若干复制节点替换板结构单元中的简化节点。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的方法和网格结构，其连接构件的等效单元保留了构件的物理特征并通过一维单元与板结构单元进行自由度同步及结构响应的传递。其中的板结构单元，忽略了嵌入连接构件的几何外形而只保留其中心位置信息，划分得到的网格数量大幅减少，大幅减小了计算机数值计算规模，提高求解效率，缩短求解时间。

本发明的方法和网格结构，其复制节点、构件节点、连接单元在板结构厚度方向上可为单层或多层，构件单元与板结构单元类型相同，可为二维壳单元或三维实体单元，构件单元模拟嵌入板结构中的连接构件在负载状态下的结构响应，完全保留了嵌入的连接结构在板结构面内的物理特征，能够模拟连接构件的复杂物理状态。

本发明的方法和网格结构，构件单元为经分割的三维实体单元时，可使用一维单元连接各层简化节点，形成位于嵌入连接构件中心线位置的一维单元列，用于模拟构件的嵌入构件响应，并提高构件单元在板厚方向上模拟的准确度。

本发明的方法和网格结构，构件单元为经分割的三维实体单元时，可通过切分节点对构件单元进行进一步切分，提高构件单元在板厚方向上模拟的准确度。

附图说明

图1为本发明板结构的结构面示意图。

图2为本发明结构面具有简化节点并进行网格化示意图；

图3为本发明构建构件单元示意图；

图4为本发明构建连接构件示意图；

图5为本发明节点替换示意图；

图6为的三维实体单元的结构剖视图；

图7为本发明三维实施例构件单元A-A方向视图；

图8为构建切分节点对构件单元进行切分示意图；

1、简化节点；2、板结构单元；3、板结构节点；11、复制节点；12、构件节点；13、切分节点；21、连接单元；22、构件单元；23、中线单元；24、细分构件单元。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“侧”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“等效”指对构件几何特征、物理特征进行简化，通过规模更小，结构更简单的数值表达式表达复杂构件的物理特征，以减小计算规模，缩短计算机求解时间。术语“结构面”指能够准确代表板结构外形特征的投影面，一般指板结构的一个侧表面，或中间面。术语“厚度方向”表示选定“结构面”后，从“结构面”指向另一侧表面的方向。若选定的“结构面”为中间面，“厚度方向”数量为2，为分别指向板结构的两个侧表面。

本发明提出一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，包括如下步骤：

1)将连接构件简化为板结构的结构面网格上的简化节点1。该步骤中，忽略连接构件的几何外形，只保留位置信息，将连接构件中心点位置简化为简化节点1。

2)采用板结构几何特征尺寸对结构面进行二维网格划分，离散化为若干板结构节点3及板结构单元2。

由于在板结构的结构面上完全忽略嵌入的连接构件的几何外形特征，仅保留位置信息，采用板结构几何特征尺寸进行板结构面的二维网格划分，能大幅减少板结构单元2的数量。

参见图2，在连接构件位置处，由简化节点1及周边的板结构节点3共同构成若干板结构单元2，板结构单元2数量定义为N，N是板结构面经过网格划分得到的平面网格中与简化节点连接的板结构单元的数量，N是大于等于3的整数，数量不定但通常不会大于6。

3)在板结构的结构面上，根据简化节点1、板结构节点3构建构件单元22作为连接构件的等效单元。具体包括如下步骤：

3.1)在简化节点1的坐标位置创建若干个复制节点11，其数量为N。该复制节点11用于实现构件单元22与板结构单元2之间的结构响应的传递，复制节点11与简化节点1的坐标值相同。为了更清楚地表达各节点之间的连接关系，附图中的复制节点与简化节点不重合，以更好的区分二者。

3.2)在简化节点1与板结构节点3连线方向上，距离简化节点1一定距离位置创建构件节点12，数量为N。各个构件节点12与简化节点1之间的距离保持一致，其数值可与嵌入的连接构件几何尺寸相同，也可通过计算得到合适数值，该数值为构件单元22的尺寸。例如，构件节点12与复制节点11之间的距离可等于嵌入的连接结构的半径，也可等于换算得到的等效半径。

3.3)在结构面上，连接相邻的构件节点12，将简化节点1与各个构件节点相连从而划分得到若干个构件单元22，其数量为N。

4)构建连接单元21，实现构件单元22与板结构单元2之间的结构响应的传递。在结构面上，对若干个构件节点12和若干个复制节点11进行分组，单个构件节点12与复制节点11一一对应。连接各组的构件节点12和复制节点11从而形成连接单元21，数量为N，参见图4。连接单元21为一维线性单元，采用刚性单元或柔性单元。

5)对每个板结构单元2进行节点替换。参见图5，即将每个板结构单元2中的简化节点1替换成复制节点11，使得复制节点11与板结构节点3相连。

本发明中，复制节点11、构件节点12和连接单元21在板结构厚度方向上可为单层或多层，构件单元22与板结构单元2类型相同，可为二维壳单元或三维实体单元。当板结构划分为二维壳单元时，连接构件在板结构面上简化为单一节点，复制节点11、构件节点12、连接单元21均为单层，构件单元22为二维壳单元。

若板结构单元2需要表示为三维实体单元时，则还包括步骤6)对板结构单元2在板厚度方向上进行拉伸，其在板结构的厚度方向上的拉伸数量表示为SN，SN为大于1的正整数，具体包括如下步骤：

6.1)沿板结构厚方向，将板结构节点3、复制节点11、构件节点12及连接单元21复制若干次，次数可为SN，构成SN+1层节点集合及连接单元21，层内节点在厚度方向坐标值一致。

6.2)依次连接相邻层对应的复制节点11和板结构节点3，形成三维棱柱状板结构单元。

6.3)依次连接相邻层对应的简化节点1和构件节点12，形成三维棱柱状构件单元。

其中，复制节点11、构件节点12、连接单元21层数与拉伸形成的简化节点1数量相同，构件单元22为在板结构厚度方向拉伸形成的多层三维实体单元，构件单元22的层数与板结构在厚度方向上的拉伸层数相同。

如图7，当板结构表达为三维实体单元时，若需模拟连接构件中心位置板厚方向的结构响应(如连接构件凸出现象)或连接构件的贯穿效果(如嵌入连接构件的发热现象)可以依次连接相邻层的简化节点1创建SN个中线单元23。中线单元23位于连接构件中心位置，为一维杆单元或梁单元，用以模拟嵌入构件在板厚度方向的结构响应及嵌入构件的嵌入物理特性(如嵌入构件发热)，单元截面属性通过等效计算求得。

如图8，若需要更加细致模拟连接构件的结构响应，可以通过创建切分节点13对构件单元22进行切分，形成多组细分构件单元24，用以在三维状态下模拟嵌入连接构件在板厚度方向上的更加细致的结构响应。当板结构表达为三维实体单元时细分构件单元24亦为三维实体单元。

本发明还提出一种嵌入板结构的连接构件的网格结构，将连接构件在板结构的结构面上表达为简化节点1；板结构网格划分为板结构单元2和板结构节点3，简化节点1和板结构节点3之间构建有构件单元22作为连接构件的等效单元，模拟连接构件在板结构面内的结构响应；构件单元22与板结构单元2之间设有连接单元21实现的结构响应同步，在简化节点1坐标位置创建若干复制节点11替换板结构单元2中的简化节点1。

本发明的连接构件的等效单元包括有构件单元22、连接单元21、复制节点11及构件节点12等，构件单元22、连接单元21、复制节点11及构件节点12的数量相同。构件单元22模拟嵌入板结构中的连接构件在负载状态下的结构响应，其完全保留了嵌入的连接结构在板结构面内的物理特征，能够模拟连接构件的复杂物理状态，其在板结构面内的结构响应通过构件节点12进行表达。

构件单元22在位置上完全嵌入板结构单元2中，通过连接单元21实现结构响应的传递。构件单元22组合的中心节点为简化节点1，并通过简化节点1对嵌入连接构件在板厚度方向的结构响应进行模拟。同时板结构外其他结构单元可通过与简化节点1的连接实现与板结构单元之间的结构响应传递。

连接构件位置处的板结构单元2包含与简化节点1位置相同的复制节点11，通过复制节点11实现构件单元22与板结构单元2之间的作用。在板结构单元2中只保留了嵌入连接构件中心的位置信息，忽略连接构件的几何外形特征，从而减少板结构单元2数量。板结构单元2在连接构件位置处的自由度通过复制节点11进行表达。

连接单元21连接对应方向上的构件节点12与复制节点11，用于连接板结构单元2与构件单元22。当构件节点12发生结构响应(如位移)时由于连接单元21的存在与之连接的对应复制节点11将发生同步结构响应。从而将板结构单元2与构件单元22连接在统一物理模型中。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将连接构件简化为板结构的结构面网格上的简化节点；

2.如权利要求1所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤1)中，忽略连接构件的几何外形，只保留位置信息，将连接构件中心点位置简化为所述简化节点。

3.如权利要求1所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤2)中，所述板结构单元为由简化节点与各个板结构节点连线划分构成。

4.如权利要求1所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤3)中，所述构建构件单元具体包括如下步骤：

3.1)在简化节点坐标位置创建若干个复制节点，

5.如权利要求4所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤4)中，在结构面上，对若干个构件节点和若干个复制节点进行分组，连接各组的构件节点和复制节点从而形成所述连接单元。

6.如权利要求1或5所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，所述连接单元为一维线性单元，采用刚性单元或柔性单元。

7.如权利要求5所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，若板结构单元需要表示为三维实体单元时，则还包括步骤6)对板结构单元在板厚度方向上进行拉伸，包括如下：

8.如权利要求7所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤6)还可包括依次连接相邻层的简化节点，形成中线单元。

9.如权利要求7所述的一种嵌入板结构的连接构件的网格构建方法，其特征在于，步骤6)还可包括使用切分节点对构件单元进行切分，构成若干组细分构件单元。

10.一种嵌入板结构的连接构件的网格结构，其特征在于：将连接构件在板结构的结构面上表达为简化节点；板结构网格划分为板结构单元和板结构节点，简化节点和板结构节点之间构建有构件单元作为连接构件的等效单元，模拟连接构件在板结构面内的结构响应；构件单元与板结构单元之间设有连接单元实现结构响应同步，在简化节点坐标位置创建若干复制节点替换板结构单元中的简化节点。