一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法

摘要

本发明涉及一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法。所述方法包括以下步骤：1)结合推导变量与正则文法来描述实体选择的过程；2)将正则文法中的终结符定义为实体选择的FEA脚本片段；3)将实体选择的FEA脚本片段中的关键参数定义为变量；4)根据正则文法，结合用户输入的推导变量，推导生成载荷作用位置脚本。本发明通过采用上述技术，确保产品在不同拓扑结构和工况下生成正确的脚本，实现脚本的自动化生成；使得已有的有限元分析脚本资源得到有效利用；减轻有限元分析人员的工作负担，同时使得产品设计人员也能自主进行有限元分析，为企业减轻了产品设计成本，节约了人力和物理资源，有效提升了产品质量和缩短设计周期。

说明书

技术领域

本发明涉及有限元分析、有限元参数化建模等技术领域，具体涉及一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法。

背景技术

有限元分析(FEA，Finite ElementAnalysis)是利用数学近似的方法对真实物理系统进行近似模拟的过程。在产品设计中，有限元分析是检验产品设计质量、缩短设计周期和降低废品率的有效手段。为了提升有限元分析的效率，有经验的分析人员经常通过编辑脚本的方式来辅助完成产品的有限元模型建模，在需要反复优化产品的设计参数的时候，分析人员还可以通过脚本的参数化提高有限元分析的效率。脚本是执行有限元分析的命令流，常用的有限元分析软件，如ABAQUS、ANASYS等都有自己的命令流脚本。其中，ABAQUS采用Python作为其脚本语言，而ANASYS则采用APDL(ANASYS Parametric Design Language)作为其脚本语言。脚本语言结合输入参数，将需要参数化的数据标记为变量，从而构建参数化的脚本模板，实现FEA的前处理、载荷作用位置、施加载荷、求解和后处理等功能。其中，载荷作用位置的精确描述对于建立有限元分析模型起着重要的作用，并且对有限元分析的准确率起着重要影响。

在ANSYS软件中进行有限元分析建模时，通常以标号(编号法)的方式选择几何特征作为载荷作用位置，然后在该作用位置上添加载荷约束，从而完成有限元分析的建模。但是由于软件为模型上的几何特征自动生成的编号具有不确定性，一旦产品的拓扑结构或工况发生改变，不仅载荷作用位置的命令流片段中的编号产生差异，同时脚本中也会新增命令流片段，导致描述载荷作用位置的有限元脚本模板便不能再替换参数后进行重用。

为了应对产品拓扑结构和工况发生变化情况下的FEA参数化与脚本生成，本发明不再预先构建脚本模板，而是通过将FEA脚本切分成命令流片段，再通过正则文法描述这些命令流片段组合的规则，从而实现自适应的脚本生成。ANSYS软件支持以坐标的方式选择几何特征(坐标法)。利用坐标法拾取几何特征，就是在相应的坐标系下直接拾取目标几何特征，或者通过不同几何特征之间的组合来拾取目标几何特征。坐标法能够通过坐标形式描述载荷作用位置，载荷作用位置的脚本片段中的参数只和作用位置的坐标参数有关，不会随着拓扑结构或工况发生改变。本发明通过正则文法描述与坐标法的结合，能够在产品拓扑结构和工况发生变化的情况下，实现载荷作用位置脚本片段的参数化描述和自适应的脚本生成。

本发明提出一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法，将有限元脚本切分成命令流片段后，通过文法描述这些命令流片段组合的规则，经过基于文法的推导计算得到FEA的脚本，通过推导过程确保产品在不同拓扑结构和工况下生成正确的脚本，从而实现脚本的自动化生成。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法，它利用正则文法来描述实体选择过程，并利用正则文法进行推导以生成载荷作用位置脚本。

所述的一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法，通过正则文法对ansys软件中的实体选择命令进行组织，再根据文法推导生成载荷作用位置脚本，其特征在于包括如下步骤：

步骤A01:利用推导参数与正则文法来描述ansys软件中实体选择的过程，即将实体选择流程定义为正则文法；

步骤A02:将步骤A01正则文法中的终结符定义为实体选择的FEA脚本片段；

步骤A03:将步骤A02实体选择的FEA脚本片段中的关键参数定义为变量；

步骤A04:对步骤A01的正则文法进行推导，即根据步骤A01的正则文法，结合用户输入的推导参数，推导生成载荷作用位置脚本。

所述的一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法，其特征在于具体包括如下步骤：

1)结合用户输入的推导参数利用正则文法来描述实体选择的过程：

1.1)实体选择的正则文法包括终结符集Vt、非终结符集Vn、产生式集P和起始符S，其中终结符集Vt与实体选择命令相对应，非终结符用于区分不同类型的实体选择命令，产生式与实体选择的过程相对应，所有的推导均从起始符S开始；

1.2)实体选择S的流程分为两步，具体为坐标系操作SW和几何特征选择SL

坐标系操作包括旋转坐标系、移动坐标系、建立局部柱坐标系、建立局部椭圆坐标系和建立局部球坐标系，几何特征选择包括选择节点、选择关键点、选择线、选择面、选择几何体和选择单元；坐标操作系、几何特征选择定义为非终结符，将定义坐标系的5种不同操作定义为终结符，非终结符和其下的子节点不同操作之间的关系就是产生式；

几何特征选择包括选择节点、选择关键点、选择线、选择面、选择几何体和选择单元，均能采用不同的方式来选择同一种几何特征，例如对于选择节点而言，有以下几种：选择单元上的所有节点、利用坐标系来选择节点、利用关键点来选择节点、选择面上的所有节点、利用坐标来选择节点；将选择节点、选择关键点等6类几何特征定义为非终结符，将选择节点、选择关键点等6类几何特征的具体方式定义为终结符，非终结符和终结符之间的关系就是产生式，最终建立的正则文法；

2)将正则文法中的终结符对应为实体选择的FEA脚本片段；

步骤1)所建立的正则文法准确地描述了实体选择的过程，但正则文法中并不包含FEA脚本，将正则文法的终结符与实体选择的FEA脚本片段相对应，在对文法推导完成之后将终结符组成的字符串转化成载荷作用位置脚本；

3)将实体选择的FEA脚本片段中的关键参数定义为变量；

将实体选择的FEA脚本片段中关键参数定义为变量，在步骤2)中生成的脚本片段中有“#”符号的单词为关键参数，具体过程如下：

步骤B01:读入FEA脚本片段，将FEA脚本片段拆分为一个单词序列；

步骤B02:依次扫描单词序列中的每个单词；

步骤B03:判断当前扫描的单词是否为关键参数，若是，则执行步骤B04，若不是，继续执行步骤B02；

步骤B04:将a设置为变量；

4)根据步骤1)所述的正则文法，结合用户输入的推导参数和数值参数，推导生成载荷作用位置脚本；

4.1)输入的设置

从实体选择文法中推导生成新的APDL脚本需要以下两种参数：推导参数、数值参数，其中，推导参数用来选择实体选择文法产生式的替换方式；数值参数与几何模型有关，反映了几何模型的实际尺寸，所述输入的形式定义为如下两种：1.[推导参数]，2.[推导参数，数值参数]；

4.2)推导生成载荷作用位置脚本

按照最左推导方式来对正则文法进行推导，所述最左推导方式是文法基本的推导方式之一，其每次只替换字符串最左端的非终结符，所述的推导生成载荷作用位置脚本的过程具体如下，其中，输入缓存用于存储用户的输入，输出缓存用于记录产生式替换的结果：

步骤C01：设a为指针，指针a指向输入缓存中的第一个推导参数；

步骤C02：将实体选择S的正则文法→SW SL压入输出缓存中；

步骤C03：从字符串中寻找最左端非终结符，以a为依据，选择替换方式，替换字符串最左部的非终结符，将替换后的字符串压入输出缓存中，a指向下一个推导参数；

步骤C04：判断堆栈中的字符串有无非终结符，若有，则执行步骤C03，若无，执行步骤C05；

步骤C05：推导结束，抽取脚本片段并填入数值参数，将字符串转化为载荷作用位置脚本。通过采用上述技术，本发明的有益效果如下：

本发明限定的一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法，避免预先构建脚本模板，而是通过将FEA脚本切分成命令流片段，再通过正则文法描述这些命令流片段组合的规则，经过基于文法的推导计算得到FEA的脚本，通过推导过程确保产品在不同拓扑结构和工况下生成正确的脚本，从而实现脚本的自动化生成；使得已有的有限元分析脚本资源得到有效利用；减轻有限元分析人员的工作负担，同时使得产品设计人员也能自主进行有限元分析，为企业减轻了产品设计成本，节约了人力和物理资源，有效提升了产品质量和缩短设计周期。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明实体选择的流程图；

图3为实体选择的正则文法结构示意图；

图4为本发明将FEA脚本中的数据替换为参数的流程图；

图5为推导生成载荷作用位置脚本的流程图；

图6为ANSYS实体选择的脚本片段；

图7为本发明实施例中法兰受载情况结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图即实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-7所示，本发明的一种基于正则文法的载荷作用位置脚本自动生成方法，该方法首先通过正则文法来描述实体选择过程，然后对正则文法进行推导以生成载荷作用位置脚本；为了便于理解本发明的技术方案，本发明以压力容器中的法兰产品为例，来进一步说明本发明所提方法的工作原理，在法兰的热-结构耦合分析中，法兰的受载情况如附图7所示，其底面受到固定约束，内表面受到大小为0.2MPa的压力和大小为125℃的恒温载荷，外表面承受热对流载荷，对流传热系数为12E-6(0.000012)，环境温度为25℃。

法兰产品的载荷作用位置共有如下几个：1.底面，2.内表面，3.外表面，4.端面。以选择内表面为例，来说明生成法兰载荷作用位置脚本的过程：

1)利用正则文法来描述实体选择的过程；

实体选择的正则文法包括终结符集Vt、非终结符集Vn、产生式集P和起始符S，其中终结符集与实体选择命令相对应，非终结符用于区分不同类型的实体选择命令，产生式与实体选择的过程相对应，所有的推导均从S开始，结合推导参数与图3中正则文法，案例中法兰产品的实体选择推导过程如下：

a)实体选择(S)→坐标系操作(SW)几何特征选择(SL)

b)坐标系操作(SW)→建立局部柱坐标系(cya)

c)几何特征选择(SL)→选择面(AR)(cya)

d)选择面(AR)→选择平行于坐标系的面(csa)

经过结合推导参数与正则文法，对法兰内表面进行实体选择的描述如上所示。

2)将正则文法中的终结符定义为实体选择的FEA脚本片段；

本发明将正则文法的终结符定义为ANSYS参数化设计语言APDL中的实体选择命令脚本片段，正则文法中的每个终结符将对应一个唯一明确的APDL脚本片段。当将正则文法推导结束之后便可根据推导得到的字符串转化成对应的APDL脚本。各终结符及其对应的APDL脚本片段如图6所示；

步骤1)所建立的正则文法准确地描述了实体选择的过程，但正则文法中并不包含FEA脚本。本发明将正则文法的终结符与实体选择的FEA脚本片段相对应，在对文法推导完成之后便可将终结符组成的字符串转化成载荷作用位置脚本。步骤1中产生的终结符为：cya,csa。根据产生的终结符与图6中所示的脚本片段生成相应脚本。生成脚本片段如下：

CSWPLA,11,2,1,1

CSYS,11

ASEL,#1,LOC,#2,#3

3)将实体选择的FEA脚本片段中的关键参数定义为变量；

将实体选择的FEA脚本片段中关键参数定义为变量的流程如图4所示，具体如下：

步骤B01:读入FEA脚本片段，将FEA脚本片段拆分为一个单词序列；

步骤B02:依次扫描单词序列中的每个单词；

步骤B03:判断当前扫描的单词是否为关键参数，若是，则执行步骤B04，若不是，继续执行步骤B02；

步骤B04:将a设置为变量；

在步骤2)中生成的脚本片段中有“#”符号的单词为关键参数

4)根据步骤1)所述的正则文法和步骤3)，结合用户输入的推导参数和数值参数，推导生成载荷作用位置脚本；

选择内表面后，经过推导生成的内表面载荷作用位置终结符为：“[cya],[csa,x,0.007]”，其中，x,0.007是用户输入的数值参数，表示作用位置。终结符推导生成后经过步骤2)生成脚本片段，其中数值参数用于替换步骤3)中所生设置的变量。

当法兰内表面载荷大小发生变化时，使用本发明能够对已经生成的脚本进行重用，提高脚本使用率。比如，当内表面收到大小为0.5MPa的压力和大小为125℃的恒温载荷，外表面承受热对流载荷，对流传热系数为12E-6(0.000012)，环境温度为25℃时，与初始工况对比，载荷大小产生变化，经过正则文法推导生成的载荷作用位置终结符仍为：“[cya],[csa,x,0.007]”，根据步骤2)生成脚本片段，与初始工况下推导生成的脚本片段相同，说明在工况发生变化后，载荷作用位置没发生变化的情况下，经过正则文法推导生成的载荷作用位置脚本仍然能够重用。