一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法

摘要

本发明公开了一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法。为解决框架结构工装刚强度有限元计算时实体网格划分法中，网格多、计算量庞大和中性层法手工提取零组件几何结构、参数效率低下的问题，利用CAD系统提供的API接口进行程序设计开发，拓展原生CAD软件功能，对框架结构工装小体积连接件自动清理去除、零组件类型自动判别、工装零件厚度等参数自动识别归类，并自动分类建立框架结构工装刚强度计算标准接口的曲面模型，通过在ABAQUS中进行曲面模型共节点操作，实现框架结构工装刚强度模型快速前处理，避免了大量重复性手动操作，极大提高了框架结构工装刚强度计算几何特征前处理效率。

说明书

技术领域

本发明属于飞机数字化制造领域，具体涉及一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法。

背景技术

框架结构工装主要由垫片、角片和方钢组成，广泛应用于飞机研制中，如飞机装配型架、工作梯等。随着飞机研制型号数量和复杂程度快速增长，设计人员需要承担以前多倍的工作任务，其中包括框架结构工装的刚强度可靠性计算，而在CAE软件中进行前处理工作是一项繁琐辛苦的工作，有可能需要成千上万次交互操作才能完成，在整个仿真过程中前处理工作会占用一大半精力，需要企业投入巨大人力和时间成本。

目前常用的有限元计算前处理方法有2种：(1)框架实体法：对框架实体直接划分网格，为保证仿真结果的可靠性，在框架实体零件的厚度方向上至少需要划分3层网格，框架零件厚度一般分布在6mm至15mm之间，故网格大小一般为2mm至5mm范围内；针对大型框架结构，都需要划分千万甚至上亿数量级别的网格单元数量，而以目前个人工作计算机的性能无法承担如此庞大的计算量，该方法存只适用于超小型框架结构，适用范围极小；(2)中性层法：提取所有框架零件的中性层面，将存在相互接触关系的框架零件的中性层面的边界延伸至另一个零件的中心层面处，手动测量所有框架零件的厚度，将厚度赋于各自对应的中性层面。该方法存在以下缺点：框架结构存在大量的框架零件，手动提取中性层面、延伸边界、测量零件厚度和指派截面厚度等操作为重复性行为，费时耗力，效率低下。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法，提高了框架结构刚强度有限元计算前处理方法效率，降低生产成本，且适用范围广。

一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法，包括以下几个步骤：

步骤一、在CAD系统中打开框架结构工装的实体模型，该实体模型包含组成框架结构工装的所有几何实体，包括方钢、角片、垫片、连接件；

步骤二、批量去除所有几何实体的连接件：

用CAD系统提供的API接口遍历所有几何实体，并测量出每个几何实体的体积，设置需要清除的连接件的体积阀值，进行连接件的批量删除。

步骤三、识别所有几何实体类型：

3.1编写程序遍历零件文档中的每个几何实体，对于每个几何实体，定义交互选择集合Selection1，编写“Search＂Topology.CGMFace，sel”语句来搜索几何实体表面的曲面，将所有几何实体表面的曲面加入交互选择集合Selection1中，编写Sur＿Num＝Selection1.Count来获取几何实体表面的曲面数量，其中，Sur＿Num为几何实体表面的曲面数量，遍历并测量几何实体表面的曲面的面积，将几何实体表面的曲面按面积从大到小排序，定义排序后的几何实体表面的曲面为Sur(i)，Sur(i)的面积定义为Area(i)，i＝1、2……Sur＿Num；

3.2利用步骤3.1的排序后的几何实体表面的曲面Sur(i)和几何实体类型识别算法判断几何实体类型，几何实体类型识别算法如下：

3.2.1垫片类几何实体类型识别算法

1)Sur＿Num＞＝8；

2)Area(1)/Area(2)＜＝1.001；

3)Area(1)/Area(3)＞＝4；

4)Area(1)/Area(4)＞＝4。

3.2.2角片类几何实体类型识别算法

1)Sur＿Num＞＝8；

2)1＜＝Area(1)/Area(2)＜＝1.5；

3)1.02＜＝Area(3)/Area(4)＜＝2；

4)Area(1)/Area(5)＞＝4。

3.2.3方钢类几何实体类型识别算法

1)9＜＝Sur＿Num＜＝25；

2)Area(1)/Area(2)＜＝2；

3)Area(1)/Area(3)＜＝2；

4)Area(1)/Area(4)＜＝2；

5)Area(3)/Area(4)＜＝2；

6)Area(1)/Area(9)＞＝5；

步骤四、计算几何实体厚度：

对于每个几何实体，根据步骤三所识别出的几何实体类型，利用相应的几何实体厚度计算方法获得几何实体厚度，几何实体厚度计算方法如下：

4.1垫片类几何实体厚度计算方法

测量Sur(1)和Sur(2)之间的距离，即为垫片厚度T1；

4.2角片类几何实体厚度计算方法

分别测量Sur(1)与Sur(2)、Sur(3)、Sur(4)之间的角度，如果其中某一角度为0，则测量角度为0对应的面与Sur(1)的之间的距离，即为角片的厚度T2；

4.3方钢类几何实体厚度计算方法

分别测量Sur(1)与Sur(2)、Sur(3)……Sur(8)之间的角度，记录角度为0的面，测量Sur(1)与角度为0的面的距离，记录其中最小距离对应的面Sur＿Min与最大距离对应的面Sur＿Max，测量Sur＿Min与Sur(1)的之间的距离，即为方钢的厚度T3。

步骤五、构造几何实体的有限元计算前处理曲面：

对于每个几何实体，根据步骤三所识别出的几何实体类型，利用相应的几何实体有限元计算前处理曲面构造方法获得几何实体的有限元计算前处理曲面，几何实体有限元计算前处理曲面构造方法如下：

5.1垫片类几何实体有限元计算前处理曲面构造方法

将Sur(1)偏移T1/2的距离，测量偏移后的面Sur＿P与Sur(2)之间的距离T＿P，如果T＿P＝T1/2，则Sur＿P为垫片中性层面；如果T＿P＝3＊T1/2，则反向偏移Sur(1)，偏移距离为T1/2，得到垫片类几何实体有限元计算前处理曲面。

5.2角片类几何实体有限元计算前处理曲面构造方法

分别测量Sur(1)与Sur(2)、Sur(3)、Sur(4)之间的距离，如果其中某一距离为0，则将距离为0对应的面与Sur(1)接合成一个面，即为角片类几何实体有限元计算前处理曲面。

5.3方钢类几何实体有限元计算前处理曲面构造方法

分别测量Sur(1)、Sur＿Max与其余面的距离之间的距离，记录与Sur(1)、Sur＿Max距离都为0的面，将距离都为0面与Sur(1)、Sur＿Max接合成一个面，即为方钢类几何实体有限元计算前处理曲面。

步骤六、批量给每个几何实体的有限元计算前处理曲面赋予对应的几何实体厚度值：

根据步骤四所计算出的几何实体厚度，遍历相同几何实体厚度的几何实体有限元计算前处理曲面，将同一厚度的几何实体对应的几何实体有限元计算前处理曲面结合成一个面集，面集的名字以厚度值命名标识；打开ABAQUS软件，导入所有面集，以面集的名字所标识厚度值给对应面集的赋予厚度值。

步骤七、几何实体的有限元计算前处理曲面共节点：

将所有面集在ABAQUS软件中进行装配，在装配下用“Merge”命令实现几何实体的有限元计算前处理曲面共节点自动划分共节点参数线。

本发明的有益效果为：通过基于CAD系统二次开发的一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法，实现了不同类型、不同厚度零件的中性层面和外层面自动识别、归类和输出，优化快速有限元模型共节点流程，减少大量人机交互操作，前处理效率提高了70％。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1框架结构工装示意图。

图2框架结构工装局部视图。

图3垫片类几何实体有限元计算前处理曲面示意图。

图4角片类几何实体有限元计算前处理曲面示意图。

图5方钢类几何实体有限元计算前处理曲面示意图。

图6存在焊接关系的两个方钢外层面示意图。

图7没有生成共节点参数线示意图。

图8生成共节点参数线示意图。

图中编号说明：1－垫片、2－角片、3－方钢、4－垫片类几何实体有限元计算前处理曲面、5－角片类几何实体有限元计算前处理曲面、6－方钢类几何实体有限元计算前处理曲面、7－方钢A、8－方钢B、9－共节点参数线

具体实施方式

如图1－8所示，一种框架结构工装刚强度计算几何特征快速前处理方法包括以下步骤：

步骤一、在CAD系统中打开框架结构工装的实体模型，该实体模型包含组成框架结构工装的所有几何实体，包括垫片1、角片2、方钢3、连接件。

步骤二、批量去除所有几何实体的连接件：

用CAD系统提供的API接口遍历所有几何实体，并测量出每个几何实体的体积，设置需要清除的连接件的体积阀值，进行连接件的批量删除。

步骤三、识别所有几何实体类型：

3.1编写程序遍历零件文档中的每个几何实体，对于每个几何实体，定义交互选择集合Selection1，编写“Search＂Topology.CGMFace，sel”语句来搜索几何实体表面的曲面，将所有几何实体表面的曲面加入交互选择集合Selection1中，编写Sur＿Num＝Selection1.Count来获取几何实体表面的曲面数量，其中，Sur＿Num为几何实体表面的曲面数量，遍历并测量几何实体表面的曲面的面积，将几何实体表面的曲面按面积从大到小排序，定义排序后的几何实体表面的曲面为Sur(i)，Sur(i)的面积定义为Area(i)，i＝1、2……Sur＿Num；

3.2利用步骤3.1的排序后的几何实体表面的曲面Sur(i)和几何实体类型识别算法判断几何实体类型，几何实体类型识别算法如下：

3.2.1垫片1类几何实体类型识别算法

1)Sur＿Num＞＝8；

2)Area(1)/Area(2)＜＝1.001；

3)Area(1)/Area(3)＞＝4；

4)Area(1)/Area(4)＞＝4。

3.2.2角片2类几何实体类型识别算法

1)Sur＿Num＞＝8；

2)1＜＝Area(1)/Area(2)＜＝1.5；

3)1.02＜＝Area(3)/Area(4)＜＝2；

4)Area(1)/Area(5)＞＝4。

3.2.3方钢3类几何实体类型识别算法

1)9＜＝Sur＿Num＜＝25；

2)Area(1)/Area(2)＜＝2；

3)Area(1)/Area(3)＜＝2；

4)Area(1)/Area(4)＜＝2；

5)Area(3)/Area(4)＜＝2；

6)Area(1)/Area(9)＞＝5；

步骤四、计算几何实体厚度：

对于每个几何实体，根据步骤三所识别出的几何实体类型，利用相应的几何实体厚度计算方法获得几何实体厚度，几何实体厚度计算方法如下：

4.1垫片1类几何实体厚度计算方法

测量Sur(1)和Sur(2)之间的距离，即为垫片1厚度T1；

4.2角片2类几何实体厚度计算方法

分别测量Sur(1)与Sur(2)、Sur(3)、Sur(4)之间的角度，如果其中某一角度为0，则测量角度为0对应的面与Sur(1)的之间的距离，即为角片2的厚度T2；

4.3方钢3类几何实体厚度计算方法

分别测量Sur(1)与Sur(2)、Sur(3)……Sur(8)之间的角度，记录角度为0的面，测量Sur(1)与角度为0的面的距离，记录其中最小距离对应的面Sur＿Min与最大距离对应的面Sur＿Max，测量Sur＿Min与Sur(1)的之间的距离，即为方钢3的厚度T3。

步骤五、构造几何实体的有限元计算前处理曲面：

对于每个几何实体，根据步骤三所识别出的几何实体类型，利用相应的几何实体有限元计算前处理曲面构造方法获得几何实体的有限元计算前处理曲面，几何实体有限元计算前处理曲面构造方法如下：

5.1垫片类几何实体有限元计算前处理曲面4构造方法

将Sur(1)偏移T1/2的距离，测量偏移后的面Sur＿P与Sur(2)之间的距离T＿P，如果T＿P＝T1/2，则Sur＿P为垫片中性层面；如果T＿P＝3＊T1/2，则反向偏移Sur(1)，偏移距离为T1/2，得到垫片类几何实体有限元计算前处理曲面4。

5.2角片类几何实体有限元计算前处理曲面5构造方法

分别测量Sur(1)与Sur(2)、Sur(3)、Sur(4)之间的距离，如果其中某一距离为0，则将距离为0对应的面与Sur(1)接合成一个面，即为角片类几何实体有限元计算前处理曲面5。

5.3方钢类几何实体有限元计算前处理曲面6构造方法

分别测量Sur(1)、Sur＿Max与其余面的距离之间的距离，记录与Sur(1)、Sur＿Max距离都为0的面，将距离都为0面与Sur(1)、Sur＿Max接合成一个面，即为方钢类几何实体有限元计算前处理曲面6。

步骤六、批量给每个几何实体的有限元计算前处理曲面赋予对应的几何实体厚度值：

根据步骤四所计算出的几何实体厚度，遍历相同几何实体厚度的几何实体有限元计算前处理曲面，将同一厚度的几何实体对应的几何实体有限元计算前处理曲面结合成一个面集，面集的名字以厚度值命名标识；打开ABAQUS软件，导入所有面集，以面集的名字所标识厚度值给对应面集的赋予厚度值。

步骤七、几何实体的有限元计算前处理曲面共节点：

对于存在焊接关系的方钢A7和方钢B8两个方钢类几何实体有限元计算前处理曲面6，如果方钢A7没有在相交处形成共节点参数线9，则在有限元软件中默认为方钢A7和方钢B8无连接，为自由状态，和实际工况不符，影响计算结果。

将所有面集在ABAQUS软件中进行装配，在装配下用“Merge”命令实现几何实体的有限元计算前处理曲面共节点自动划分共节点参数线9。