CN113297764A - 有限元参数化模型建模方法、***及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有限元参数化模型建模方法、***及存储介质，通过获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，相比现有技术，本发明中的有限元模型修改方法无需调用CAD及CAE软件等有限元模型建模软件即可实现模型的修改，不存在基于二次开发法的参数化建模软件中存在的不同软件平台件之间的产品特征信息传递不完整及多软件集成的兼容性问题。
Description
技术领域
本发明涉及有限元建模技术领域，具体涉及有限元参数化模型建模方法、***及存储介质。
背景技术
当前国内外越来越多的企业都利用有限元分析技术来分析产品结构性能，并结合数学优化算法对产品结构进行优化设计，以提高产品性能，缩短产品开发周期。而在在有限元分析技术领域,前处理建模所占用的整个分析时间的60％以上，常规建模技术手段是先在三维建模软件中建立几何模型，然后导入到前处理软件中，进行网格划分，最后将划分好后的网格模型导入到有限元软件中进行仿真计算，整个过程操作繁琐，而且花费时间较长。在有限元建模与分析的过程中，引入有限元参数化建模思想，可大幅度减少前处理的时间，提高优化效率。
当前实现有限元建模参数化的途径主要有两种，一是在CAE软件中将前处理和后处理过程均以“命令流”的形式编程，进行软件二次开发，将对于产品性能影响较大的关键设计变量参数化，从而建立参数化有限元模型。另一种则是借助于CAE软件提供的参数化设计语言直接在文本文档中建立参数化有限元模型，并完成其他的有限元分析步骤。
通过对有限元软件进行二次开发来实现有限元参数化建模，由于结构优化是一个反复的“修改模型-分析-验证优化结果”的循环过程，涉及到多种软件平台与***的集合，而大多数的优化软件却往往又是独立于设计平台的，虽然不同软件之间可通过编写专用的程序去实现数据交换，但有时还是难以实现产品特征信息的完整交换，此外，不同的软件、***间往往还存在兼容性的问题。
因此，如何解决现有的有限元参数模型在不同软件、***之间运行所导致的参数丢失已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了有限元参数化模型建模方法、***及存储介质，用于解决现有的有限元参数模型在不同软件、***之间运行所导致的参数丢失的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种有限元参数化模型建模方法，包括以下步骤：
获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；
根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；
根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；
根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改。
优选的，根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，包括以下步骤：
将修改后的模型参数替换掉原始的有限元模型文本文件中对应的原始模型参数，得到修改后的有限元模型文本文件。
优选的，根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，包括以下步骤：
读取所述有限元模型文件中除与所述修改后的模型参数对应的模型参数外的其他原始模型参数，并根据所述其他原始模型参数和修改后的模型参数构建新的有限元模型文本文件。
优选的，所述修改需求包括修改材料参数、修改约束条件参数、修改几何参数、修改荷载参数以及修改网格划分参数中的一种或任意几种的组合；所述原始模型参数包括材料参数、约束条件参数、几何参数、荷载参数以及网格划分参数中的一种或任意几种的组合。
优选的，根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数，包括以下步骤：
读取所述修改需求的内容，确定所述修改需求的种类，根据修改需求的种类调用对应种类的参数修改模型，将所述修改需求的内容以及对应种类的原始模型参数输入至对应的参数修改模型中，得到修改后的模型参数。
优选的，所述修改需求为缩放所述有限元模型的长宽高；所述原始模型参数为原始模型节点坐标，根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数，包括以下步骤：
构建用于缩放所述有限元模型的长宽高的参数修改模型，所述参数修改模型如下：
式中，
为第i个节点的修改后的坐标，F(x)为参数修改模型，
为第i个节点的原始坐标，ci为第i个节点坐标的变换值，li为第i个节点的原始坐标与原始模型的基点坐标在第i个节点移动方向的最大距离，xo为原始模型的基点坐标。
一种计算机***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述任一项方法中的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的有限元参数化模型建模方法、***及存储介质，通过获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，相比现有技术，本发明中的有限元模型修改方法无需调用CAD及CAE软件等有限元模型建模软件即可实现模型的修改，不存在基于二次开发法的参数化建模软件中存在的不同软件平台件之间的产品特征信息传递不完整及多软件集成的兼容性问题。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中的有限元参数化模型建模方法的流程图；
图2是本发明优选实施例中的有限元参数化模型建模方法的流程图；
图3是本发明优选实施例中的简支梁有限元模型的网格图；
图4是本发明优选实施例中的坐标变换原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图1所示,本发明公开了一种有限元参数化模型建模方法，包括以下步骤：
获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；
根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；
根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；
根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改。
另外，在本实施例中，本发明还公开了一种计算机***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
另外，在本实施例中，本发明还公开了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述任一项方法中的步骤。
本发明中的有限元参数化模型建模方法、***及存储介质，通过获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，相比现有技术，本发明中的有限元模型修改方法无需调用CAD及CAE软件等有限元模型建模软件即可实现模型的修改，不存在基于二次开发法的参数化建模软件中存在的不同软件平台件之间的产品特征信息传递不完整及多软件集成的兼容性问题。
实施例二：
实施例二是实施例一的拓展实施例，其与实施例一的不同之处在于，对有限元参数化模型建模方法的具体步骤进行了细化。
在本实施例中，公开了一种有限元参数化模型建模方法包括：
获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；
具体的，修改需求包括修改参数以及修改种类，其中，所述修改参数包括修改材料参数、修改约束条件参数、修改几何参数、修改荷载参数以及修改网格划分参数中的一种或任意几种的组合；所述原始模型参数包括材料参数、约束条件参数、几何参数、荷载参数以及网格划分参数中的一种或任意几种的组合。
根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；
具体的，该步骤包括以下步骤：
读取所述修改需求的内容，确定所述修改需求的种类，根据修改需求的种类调用对应种类的参数修改模型，将所述修改需求的内容以及对应种类的原始模型参数输入至对应的参数修改模型中，得到修改后的模型参数。
根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改。
具体的，该步骤包括以下步骤：
将修改后的模型参数替换掉原始的有限元模型文本文件中对应的原始模型参数，得到修改后的有限元模型文本文件。
作为上述方案的替换方案，根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，也包括以下步骤：
读取所述有限元模型文件中除与所述修改后的模型参数对应的模型参数外的其他原始模型参数，并根据所述其他原始模型参数和修改后的模型参数构建新的有限元模型文本文件。
实施例三：
实施例三是实施例二的拓展实施例，其与实施例二的不同之处在于，对有限元参数化模型建模方法的具体步骤和具体参数进行了进一步细化。
在本实施例中，有限元参数化建模方法先用CAD软件进行几何建模，用CAE软件进行网格划分及其他前处理工作以完成有限元模型的初次建立，然后通过fortran或其他编程语言编写的外部程序根据尺寸参数直接修改原始有限元模型文件中相关节点的坐标来实现有限元参数化建模。
具体的，如图2所示，在本实施例中有限元参数化模型建模方法具体包括以下步骤包括：
1.用UG或其他几何建模软件建立欲进行有限元分析模型的几何模型，用CAE软件进行网格划分及其他前处理工作，建立欲修改模型的初始有限元模型，得到有限元模型文件0.dyn；
2.从实验安排表中读取每次实验需修改尺寸的尺寸参数及实验总次数；
3.读取初始有限元模型文件0.dyn中的模型节点坐标；
三维模型尺寸变换微观表现为线或者面的移动，在CAD软件中改变模型尺寸也是通过以某一平面为基准面移动其他线面来实现，而线或者面都是由点组成，移动线或者面本质上是移动一些坐标具有共性(x，y，z坐标中有一个或者两个坐标是一样)的节点，故改变有限元模型尺寸时既可以先在CAD软件中改变几何模型尺寸，也可直接修改有限元模型文件中的模型的节点信息来修改模型尺寸。首先需要将节点的坐标信息读取出来，通过节点的坐标来识别并控制节点，选定基点坐标，找到节点坐标变换值与模型尺寸变换值(新尺寸与原尺寸的差值)的关系式，利用一个面或者线上的节点具有共性坐标的特性，将同一个面或者同一根线上的节点由其共性坐标控制，基于节点坐标变换值与模型尺寸变换值的关系式进行变换，而不用通过节点编号单独控制个别节点进行改变，从而实现通过修改节点坐标来修改模型尺寸。
如图3所示的简支梁有限元模型，该模型的长宽高为400×200×200mm，欲使模型长宽高都缩小10mm(长宽高尺寸变换值都为-10mm)。首先选定基点坐标为(200，-100，-250)，通过对模型的x,y,z坐标进行变换来实现模型的尺寸的改变。
在该模型的长度方向(y方向)：模型长度方向为y方向，共有20个网格，若保持网格数目不变，使模型长度缩小10mm，则每个网格需要缩小10/20＝0.5mm，各节点在y方向需移动的距离L(节点的y坐标要增加或者减少L)，不同的节点移动距离不同，与其与基点的距离有关：
式中，Li为第i节点需移动的距离，yi为第i节点的y轴坐标。
节点的新坐标等于原节点坐标减去节点移动距离Li，也等于原节点坐标加上节点变换值，即：
同理，在该模型的宽度方向(x方向)，就有：
同理，在该模型的模型高度方向(z方向)，就有：
4.坐标变换
由上可知，点移动距离与节点距基点的距离占总长的比例有关，按照如下公共坐标变换公式对需改变节点坐标信息进行更新：
式中，c为尺寸变换值，l为需移动节点与基点在移动方向的最大距离，x原为节点原坐标，x新为节点新坐标，x基为基点坐标。
其中，变换原理图如图4，在图中模型a网格尺寸为10mm，总长100mm，若以最左侧节点A为基点，使尺寸参数c为10mm，将a模型中各节点长度方向坐标依照上式进行变换，则a模型中除基点外其他节点会依次向右移动1,2......10mm，变成一个新的模型b，新模型b的每个网格尺寸变成11mm，总长变换为110mm。
将该变换公式编辑成子程序，作为本参数化建模方法中的基本工具，根据模型的具体情况在主程序根据需要进行调用即可实现参数化建模，模型不同，需变换尺寸不同，则输入子程序的基点坐标、需移动节点坐标、移动节点与基点最大距离及尺寸参数都不同。
5.生成新模型
先根据尺寸参数修改节点坐标然后将前处理信息及修改后的节点坐标信息按照初始有限元模型文件0.dyn的格式及顺序依次写入，生成新的有限元模型文件new.dyn，完成一次模型修改，将此模块封装成一个子程序，在主程序中循环调用，就可根据实验安排表自动更新有限元模型，从而实现有限元建模参数化。
综上可知，本发明中的有限元参数化建模方法，相比于当前的参数化建模方法有两个优势：
由于本方法是通过外部程序直接修改文本文件中的节点坐标来实现模型的修改，在参数化建模分析过程中无需调用CAD及CAE软件，过程更为简洁，无需再开发专门的程序去控制不同软件与***之间的接口及数据交换，不存在基于二次开发法的参数化建模软件中存在的不同软件平台件之间的产品特征信息传递不完整及多软件集成的兼容性问题；
本方法中有限元模型的初次建立是通过CAD进行几何模型，CAE软件进行网格划分等前处理，相比于通过参数化设计语言在文本文件中直接建立参数化有限元模型，本方法的建模过程更容易实现，能够处理更为复杂的模型，对于使用者的编程能力与对有限元理论及网格生成等方面的知识要求也相对较低，使用者只需学习一门面向过程的适合处理大型数值运算的编程语言，即可应用本方法进行相关产品的有限元参数化建模软件的开发，具有更强的可操作性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种有限元参数化模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取原始的有限元模型文本文件以及修改需求；
根据所述修改需求从所述有限元模型文本文件中读取对应种类的原始模型参数；
根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数；
根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改。
2.根据权利要求1所述的有限元参数化模型建模方法，其特征在于，根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，包括以下步骤：
将修改后的模型参数替换掉原始的有限元模型文本文件中对应的原始模型参数，得到修改后的有限元模型文本文件。
3.根据权利要求1所述的有限元参数化模型建模方法，其特征在于，根据所述修改后的模型参数直接对所述原始的有限元模型文本文件进行修改，包括以下步骤：
读取所述有限元模型文件中除与所述修改后的模型参数对应的模型参数外的其他原始模型参数，并根据所述其他原始模型参数和修改后的模型参数构建新的有限元模型文本文件。
4.根据权利要1所述的有限元参数化模型建模方法，其特征在于，所述修改需求包括修改材料参数、修改约束条件参数、修改几何参数、修改荷载参数以及修改网格划分参数中的一种或任意几种的组合；所述原始模型参数包括材料参数、约束条件参数、几何参数、荷载参数以及网格划分参数中的一种或任意几种的组合。
5.根据权利要求4所述的有限元参数化模型建模方法，其特征在于，根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数，包括以下步骤：
读取所述修改需求的内容，确定所述修改需求的种类，根据修改需求的种类调用对应种类的参数修改模型，将所述修改需求的内容以及对应种类的原始模型参数输入至对应的参数修改模型中，得到修改后的模型参数。
6.根据权利要求1所述的有限元参数化模型建模方法，其特征在于，所述修改需求为缩放所述有限元模型的长宽高；所述原始模型参数为原始模型节点坐标，根据所述原始模型参数以及所述修改需求确定修改后的模型参数，包括以下步骤：
构建用于缩放所述有限元模型的长宽高的参数修改模型，所述参数修改模型如下：
式中，
为第i个节点的修改后的坐标，F(x)为参数修改模型，
为第i个节点的原始坐标，ci为第i个节点坐标的变换值，li为第i个节点的原始坐标与原始模型的基点坐标在第i个节点移动方向的最大距离，xo为原始模型的基点坐标。
7.一种计算机***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述权利要求1至6任一方法的步骤。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，程序被处理器执行时实现上述权利要求1至6任一项方法中的步骤。
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