基于CAE分析结果的应力场插值方法

摘要

本发明属于计算机辅助设计技术领域，具体涉及基于CAE分析结果的应力场插值方法。本发明基于原先CAE计算的应力场结果，通过非线性空间插值的方法，不仅能够快速计算出工程师需要的网格精度范围内的应力场结果，而且有效地提高三维模型的显示效果，能够在相对短的时间内给出准确的应力场分布结果。此外。空间插值法是基于有限元算法的前提，通过空间插值的数学方式来计算应力场，不仅能够保证计算所得的应力场的准确性，而且也提高了计算效率。

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，具体涉及基于CAE分析结果的应力场插值方法。

背景技术

CAE，又称计算机辅助工程，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。在工程设计中，对产品的性能分析及结构优化起着不可或缺的作用。应力分析是CAE软件分析中最为基础的一部分。考虑到计算的效率与人力原因，工程师在计算应力分析时，对于模型网格的精度要求往往高于热分析所用的网格精度，因而也增加了计算时间和成本。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了基于CAE分析结果的应力场插值方法，目的是为了解决现有通过CAE软件计算应力分析时，对于模型网格的精度要求往往无法满足后续应力或者其他计算的要求，需要重新划分网格后再次计算，该操作大幅度地影响了工作效率的技术问题。

本发明提供了基于CAE分析结果的应力场插值方法，具体技术方案如下：

基于CAE分析结果的应力场插值方法，包括如下步骤：

S1，利用CAE软件对几何模型进行第一次网格划分，并进行第一次应力分析，获得第一次应力分析结果；

S2，对步骤S1的第一次应力分析结果的收敛性进行判断，如果所述第一次应力分析结果收敛，导出第一次应力分析结果和第一划分模型；如果所述第一次应力分析结果不收敛，返回步骤S1；

S3，利用CAE软件对步骤S2中的第一分析模型进行再次网格划分，再次网格划分中网格单元的尺寸小于第一次网格划分中网格单元的尺寸，导出第二划分模型；

S4，对步骤S2中的第一划分模型利用单元形函数计算方法获得粗网格模型的单元积分点坐标及应力值，对步骤S3中的第二划分模型利用单元形函数计算方法获得细网格模型的单元积分点坐标；

S5，通过空间应力场插值计算方法对步骤S4中的粗网格模型的单元积分点坐标及应力值、细网格模型的单元积分点坐标进行插值计算，获得细网格模型的单元积分点的应力值；

S6，将步骤S5的细网格模型的单元积分点的应力值进行应力场的加载计算，获得第二划分模型的应力场映射结果。

在某些实施方式中，在步骤S4中，所述空间温度场插值计算方法包括如下步骤：

(1)设置插值参数k，k为对步骤S3中第二划分模型的节点搜索近邻点的数量；

(2)计算比例系数r,比例系数r＝步骤S3中再次网格划分的网格单元数量/步骤S1中第一次网格划分网格单元数量；

(3)当0

(4)设置插值参数R，R为以步骤S3中第二划分模型的节点为球心的球体的半径；

(5)判断步骤S3中第二划分模型的节点的近邻点与步骤(4)球体的位置关系，当近邻点与球心重合，即与步骤S2中的第一划分模型的节点重合时，步骤S3中第二划分模型的积分点应力值即为该近邻点的应力值；当近邻点在球体边缘或这外部时，剔除该近邻点；当近邻点在球体内部时，保留进行后续的空间插值；

(6)判断步骤(5)中保留的近邻点是否在步骤S3中第二划分模型的节点的同一侧，所述即步骤S3中第二划分模型的节点p(x,y,z)和所有近邻点p(x

(7)计算步骤S3中第二划分模型的节点p(x,y,z)与所有近邻点p(x

(8)计算插值权重比

(9)步骤S3中第二划分模型的节点应力

优选地，步骤(1)中，所述k取值4或5。

优选地，步骤(4)中，所述R的值为所述t与所述s的乘积。

本发明具有以下有益效果：(1)本发明的空间插值法是基于有限元算法的前提，通过空间插值的数学方式来计算应力场，不仅能够保证计算所得的应力场的准确性，而且也提高了计算效率；

(2)对于CAE工程师来说，不仅能够快速计算得到应力场的结果映射，提高结果分析报告的产出效率，减少计算成本，保证产品后续优化的可靠性；

(3)为后续CAE软件交互式设计的二次开发提供可靠的接口与算法基础，减少了软件研发的成本。

附图说明

图1是本发明基于CAE分析结果的应力场插值方法的流程图；

图2是本发明空间应力场插值计算方法的流程图；

图3是实施例1中所画细网格模型的节点应力示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1-3，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，以轮毂铸造仿真为例，CAE软件采用铸造仿真分析软件ProCAST和有限元分析软件ABAQUS，具体实施方式如下：

S1，在铸造仿真分析软件ProCAST中轮毂模型进行第一次网格划分，网格的精度要求或者说是单元尺寸的大小，按照模型尺寸的比例划分。

S2，按照轮毂铸造时的工况要求建立一系列铸造条件，进行铸造分析，分析完成之后，查看第一次应力场分布结果，如果不收敛继续划分网格，再次进行铸造分析，查看第一次应力场分布结果，直到温度收敛即可，CAE软件计算结果的收敛性会严重影响后续插值计算的准确性。在后处理中导出铸件最终凝固后节点的应力场分布(即第一温度场分布结果)，以及铸件(即第一划分模型)，并且以inp文件进行存储。

S3，在铸造仿真分析软件ABAQUS中，对步骤S1中的第一划分模型进行再次网格划分，此处网格单元的尺寸比步骤S1第一次网格划分网格中的单元尺寸更小，网格精度更高，导出第二划分模型，仍然以inp文件进行存储。

S4，对步骤S2中的第一划分模型利用单元形函数计算方法获得粗网格模型的单元积分点坐标及应力值，并且以inp文件进行存储，对步骤S3中的第二划分模型利用单元形函数计算方法获得细网格模型的单元积分点坐标，并且以inp文件进行存储。单元形函数计算方法通过如下步骤实现：(1)读取inp文件中的单元类型信息，本程序主要计算的单元类型有：C3D4，C3D10，C3D8R，C3D8，C3D20R，根据不同的单元信息选取不同的形函数；(2)读取inp文件中的节点编号及其对应的坐标；(3)读取inp文件中的单元编号及其对应的节点编号；(4)利用单元的形函数计算得到每个单元所对应的积分点坐标；(5)最终得到步骤二粗网格的积分点坐标及其应力和步骤三细网格的积分点坐标。

S5，通过空间应力场插值计算方法，将步骤S4中导出的铸件粗网格模型的单元积分点坐标及应力值的inp文件、细网格模型的单元积分点坐标进行插值计算的inp文件，进行应力场的插值计算，最终得到如图3所示的第二划分模型所画细网格模型的积分点应力txt文件，每一行为步骤S3中第二划分模型的节单元编号，积分点编号及其对应的应力值。

其中，空间温度场插值计算方法如下：

(1)设置插值参数k，k为对步骤S3中第二划分模型的节点搜索近邻点的数量，本实施例中k＝5；

(2)计算比例系数r,比例系数r＝步骤S3中再次网格划分的网格单元数量/步骤S1中第一次网格划分网格单元数量，此处r＝3.17；

(3)此处0

(4)设置插值参数R，本实施例中R＝t*s＝1.06，R为以步骤S3中第二划分模型的节点为球心的球体的半径；

(5)判断步骤S3中第二划分模型的节点的近邻点与步骤(4)球体的位置关系，当近邻点与球心重合，即与步骤S2中的第一划分模型的节点重合时，步骤S3中第二划分模型的积分点应力值即为该近邻点的应力值；当近邻点在球体边缘或这外部时，剔除该近邻点；当近邻点在球体内部时，保留进行后续的空间插值；

(6)判断步骤(5)中保留的近邻点是否在步骤S3中第二划分模型的节点的同一侧，所述即步骤S3中第二划分模型的节点p(x,y,z)和所有近邻点p(x

(7)计算步骤S3中第二划分模型的节点p(x,y,z)与所有近邻点p(x

(8)计算插值权重比

(9)步骤S3中第二划分模型的节点应力

S6、所得到的细网格模型的积分点应力，通过fortran程序读取步骤S5中第二划分模型所画细网格模型的积分点应力txt文件内容，转换成ABAQUS初始应力场加载的程序SIGINI，得到的for文件，利用*initial conditions,type＝stress,user写入步骤S3中的第二划分模型的inp文件，进中入ABAQUS工作栏下，利用上述for文件以及第二划分模型所画细网格模型的积分点应力，在job中进行应力场的加载，加载完成后在后处理中查看插值后的应力场分布的映射效果。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。