CN114896710B - 用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法,包括步骤:一、构建航空结构有限元模型的接触表面;二、确定从节点n接触的主单元面;三、计算从节点n在主单元面S上的投影点c的局部坐标;四、判断从节点n是否穿透主单元面S;五、在从节点n和投影点c之间施加法向接触力和摩擦力。本发明将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,再进行接触搜索,大大减小了接触搜索的计算量,提高了计算速度和效率;随后将投影点局部坐标计算公式转化为求解一元二次方程组,从而替代了传统的牛顿拉普森迭代算法,大大增加了投影点局部坐标计算速度与效率,实现了一种非迭代的计算方法,提升了接触碰撞分析方法的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于航空结构冲击分析技术领域,具体涉及一种用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法。
背景技术
在航空专业领域,离散源专指可能威胁飞机结构安全的外来撞击物,包括飞鸟、冰雹、破碎发动机叶片、武器碎片、轮胎碎片、跑道碎石以及其他类似物体。飞机在服役过程中其结构经常会遇到各种离散源撞击威胁,遭受撞击后易出现内部不可见损伤、可见裂纹甚至是穿透破坏,直接或间接导致事故的发生。现有规定:遭受离散源冲击而造成结构损伤的情况下,飞机必须能够成功地完成该次飞行。因此,如何准确描述离散源撞击行为本身,从而开展离散源撞击数值分析具有重要理论意义和广泛的工程应用前景。
离散源撞击过程的数值模拟是认识和探索结构表面和内部变形破坏的重要方法之一。现有的接触碰撞有限元分析方法中往往接触界面与接触状态的确定非常耗时,接触计算通常占到问题总求解时间的一半以上。因此,发展高效、高精度的接触碰撞分析方法对于实际工程应用非常迫切。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法,将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,再对从节点n所在的bucket和与该bucket相邻的bucket中的主节点进行接触搜索,大大减小了现有的全局搜索方法中的计算量,提高了计算速度和效率;随后采用新的投影点局部坐标的求解方法替代了传统的牛顿拉普森迭代算法,新的求解方法将投影点局部坐标计算公式转化为求解一元二次方程组,大大增加了投影点局部坐标计算速度与效率,实现了一种非迭代的计算方法,提升了接触碰撞分析方法的鲁棒性。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、构建航空结构有限元模型的接触表面;
建立航空结构有限元模型,对航空结构有限元模型进行网格划分,所述网格为六面体网格,对航空结构有限元模型中的所有六面体网格的表面进行分类,当一个表面仅为一个六面体网格的表面时,则该表面为外部表面,反之为内部表面;将所有外部表面连在一起即构成接触表面;
步骤二、确定从节点n接触的主单元面:
步骤201、将给定的冲击离散源有限元节点集中的任一个节点记作从节点n,将外部表面记作主单元面,将构成主单元面的节点记作主节点;在LS-Dyna中采用基于段的bucket分类搜索方法,将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,并根据从节点n的空间位置确定从节点n所在的bucket;
步骤202、采用局部搜索算法搜索从节点n所在的bucket和与该bucket相邻的bucket中的主节点,确定最靠近从节点n的主节点,并在与最靠近从节点n的主节点有关的所有主单元面中选择从节点n接触的主单元面,记作主单元面S;
步骤三、计算从节点n在主单元面S上的投影点c的局部坐标:
步骤301、在自然坐标系的XOY、XOZ和YOZ三个平面中确定与主单元面S夹角最小的一个平面记作目标投影平面;
步骤四、根据从节点n至投影点c的距离矢量判断从节点n是否穿透主单元面S:
当从节点n至投影点c的距离矢量不小于0时,从节点n没有穿透主单元面S,即从节点n没有产生接触碰撞;
当从节点n至投影点c的距离矢量小于0时,从节点n穿透主单元面S,执行步骤五;
步骤五、在从节点n和投影点c之间采用罚函数法施加法向接触力和摩擦力,并对航空结构有限元模型进行动力学分析。
上述的用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法,其特征在于:步骤201中,基于段的bucket分类搜索方法中,bucket的长度和数量的确定方法为:
本发明与现有技术相比的区别技术特征为:本发明将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,再对从节点n所在的bucket和与该bucket相邻的bucket中的主节点进行接触搜索,大大减小了现有的全局搜索方法中的计算量,提高了计算速度和效率;随后采用新的投影点局部坐标的求解方法替代了传统的牛顿拉普森迭代算法,新的求解方法将投影点局部坐标计算公式转化为求解一元二次方程组,大大增加了投影点局部坐标计算速度与效率,实现了一种非迭代的计算方法,提升了接触碰撞分析方法的鲁棒性。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示,本发明的用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法,该方法包括以下步骤:
步骤一、构建航空结构有限元模型的接触表面;
建立航空结构有限元模型,对航空结构有限元模型进行网格划分,所述网格为六面体网格,对航空结构有限元模型中的所有六面体网格的表面进行分类,当一个表面仅为一个六面体网格的表面时,则该表面为外部表面,反之为内部表面;将所有外部表面连在一起即构成接触表面;
步骤二、确定从节点n接触的主单元面:
步骤201、将给定的冲击离散源有限元节点集中的任一个节点记作从节点n,将外部表面记作主单元面,将构成主单元面的节点记作主节点;在LS-Dyna中采用基于段的bucket分类搜索方法,将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,并根据从节点n的空间位置确定从节点n所在的bucket;
步骤202、采用局部搜索算法搜索从节点n所在的bucket和与该bucket相邻的bucket中的主节点,确定最靠近从节点n的主节点,并在与最靠近从节点n的主节点有关的所有主单元面中选择从节点n接触的主单元面,记作主单元面S;
本实施例中,选择从节点n接触的主单元面的方式与对称罚函数法中选择从节点n接触的主单元面的方式相同。
需要说明的是,主单元面为四边形面,主节点为四边形面的四个角点。
需要说明的是,步骤二中的接触搜索步骤为对称罚函数法中接触搜索步骤的改进,对称罚函数法中需要计算从节点n与接触表面中的所有主节点的距离,从而选取最靠近从节点n的主节点,这种方式十分耗时;本实施例中,采用基于段的bucket分类搜索方法,将接触表面的所有节点按空间位置放置在各个bucket内,对于二维bucket中的从节点n只需搜索当前bucket和其周围8个bucket中的主节点;三维则需搜索当前bucket和其周围26个bucket中的主节点,计算量大大减小;
步骤三、计算从节点n在主单元面S上的投影点c的局部坐标:
步骤301、在自然坐标系的XOY、XOZ和YOZ三个平面中确定与主单元面S夹角最小的一个平面记作目标投影平面;
需要说明的是,现有的对称罚函数法中对从节点n在主单元面S上的投影点c的局部坐标的求解过程需要采用牛顿拉普森迭代法进行求解,但牛顿拉普森迭代法需要给定一个合理的初值,且采用牛顿拉普森迭代法求解投影点坐标时可能出现不收敛的问题,即无法得到投影点坐标;因此本申请采用步骤三的计算方法解决了上述问题,无需迭代,大大缩短了计算时间。
需要说明的是,
步骤四、根据从节点n至投影点c的距离矢量判断从节点n是否穿透主单元面S:
当从节点n至投影点c的距离矢量不小于0时,从节点n没有穿透主单元面S,即从节点n没有产生接触碰撞;
当从节点n至投影点c的距离矢量小于0时,从节点n穿透主单元面S,执行步骤五;
步骤五、在从节点n和投影点c之间采用罚函数法施加法向接触力和摩擦力,并对航空结构有限元模型进行动力学分析。
本实施例中,当确定从节点n没有穿透主单元面S后,结束该从节点n的处理,开始进行下一个从节点的搜索分析;
本实施例中,当执行步骤五后,航空结构有限元模型发生变化,此时,原始的接触表面失效,需要按照步骤一的方式重新构建接触表面,实现接触表面的周期性的重构。
本发明将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,再对从节点n所在的bucket和与该bucket相邻的bucket中的主节点进行接触搜索,大大减小了现有的全局搜索方法中的计算量,提高了计算速度和效率;随后采用新的投影点局部坐标的求解方法替代了传统的牛顿拉普森迭代算法,新的求解方法将投影点局部坐标计算公式转化为求解一元二次方程组,大大增加了投影点局部坐标计算速度与效率,实现了一种非迭代的计算方法,提升了接触碰撞分析方法的鲁棒性。
本实施例中,步骤201中,基于段的bucket分类搜索方法中,bucket的长度和数量的确定方法为:
需要说明的是,通过限定bucket的长度,保证bucket的长度的数量大于接触表面的所有主单元面数量的2倍。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (2)
1.用于航空结构冲击分析的接触碰撞分析方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、构建航空结构有限元模型的接触表面;
建立航空结构有限元模型,对航空结构有限元模型进行网格划分,所述网格为六面体网格,对航空结构有限元模型中的所有六面体网格的表面进行分类,当一个表面仅为一个六面体网格的表面时,则该表面为外部表面,反之为内部表面;将所有外部表面连在一起即构成接触表面;
步骤二、确定从节点n接触的主单元面:
步骤201、将给定的冲击离散源有限元节点集中的任一个节点记作从节点n,将外部表面记作主单元面,将构成主单元面的节点记作主节点;在LS-Dyna中采用基于段的bucket分类搜索方法,将接触表面的所有主节点分类放置在各个bucket内,并根据从节点n的空间位置确定从节点n所在的bucket;
步骤202、采用局部搜索算法搜索从节点n所在的bucket和与该bucket相邻的bucket中的主节点,确定最靠近从节点n的主节点,并在与最靠近从节点n的主节点有关的所有主单元面中选择从节点n接触的主单元面,记作主单元面S;
步骤三、计算从节点n在主单元面S上的投影点c的局部坐标:
步骤301、在自然坐标系的XOY、XOZ和YOZ三个平面中确定与主单元面S夹角最小的一个平面记作目标投影平面;
步骤四、根据从节点n至投影点c的距离矢量判断从节点n是否穿透主单元面S:
当从节点n至投影点c的距离矢量不小于0时,从节点n没有穿透主单元面S,即从节点n没有产生接触碰撞;
当从节点n至投影点c的距离矢量小于0时,从节点n穿透主单元面S,执行步骤五;
步骤五、在从节点n和投影点c之间采用罚函数法施加法向接触力和摩擦力,并对航空结构有限元模型进行动力学分析;
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