[發明專利]帶孔結構和帶組件結構的分析設計方法

有效

• 申請號: 201210074535.4
• 申請日: 2012-03-21
• 公開（公告）號: CN102629291A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 張衛紅;蔡守宇;李楊;李曉輝;劉虎
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種分析設計方法，特別涉及一種帶孔結構和帶組件結構的分析設計方法。適用于對帶孔結構和帶組件結構的幾何尺寸精度要求高的場合。

背景技術

為了滿足減重、裝配、降低耗材以及排氣排污等要求，在機械工程和建筑工程中應用到許多開有各種孔洞的結構，也即帶孔結構。若將孔洞填充為另一種材料，就成為帶組件結構問題，這些填充實體在工程上可代表被連接的儀器設備等，在此統稱為組件。孔洞和組件的引入必然會破壞結構的完整性，從而引起結構的應力集中、疲勞強度下降等一系列問題。孔洞和組件的形狀、尺寸和位置對結構力學響應的影響一般都很大，在航空航天等對結構幾何尺寸精度要求很高的領域中，孔洞和組件給結構帶來的影響都需要精確地進行模擬和分析。

目前，最常用的結構分析設計方法就是公知的有限元分析方法，商業有限元分析軟件如ANSYS、NASTRAN等已廣泛應用于各種工程領域中，用以對任意復雜結構包括帶孔結構和帶組件結構進行分析設計。有限元分析方法首先把被分析結構的CAD模型轉換成與之近似的分析模型，然后將分析模型劃分成很多形狀簡單的單元進行分析。有限元分析精度的提高主要通過單元細分來實現，在單元細分過程中要保持分析模型與CAD模型之間的交互，使單元細分后的分析模型能夠更加逼近結構的CAD模型。

文獻1“Hughes?TJR，Cottrell?JA，Bazilevs?Y.Isogeometric?analysis：CAD，finite?elements，NURBS，exact?geometry?and?mesh?refinement.Computer?Methods?in?Applied?Mechanics?and?Engineering，2005，194：4135-95.”公開了一種結構分析設計方法，稱為等幾何分析方法。等幾何分析方法采用CAD中用于幾何造型的非均勻有理B樣條(NURBS)的基函數和控制點代替有限元分析方法中的形函數和節點，實現了CAD模型與分析模型的有機融合，在結構分析時能方便地進行單元細分并且能保證分析模型與CAD模型始終相同。

然而文獻1的等幾何分析方法難以對帶孔結構和帶組件結構進行分析設計，這是由于等幾何分析方法所分析結構的CAD模型只限于用NURBS曲面片建立，NURBS曲面片是由一個完整的矩形參數區域映射而成，而一個完整的矩形參數區域很難映射成帶孔結構或帶組件結構的CAD模型。因此，等幾何分析方法在分析帶孔結構和帶組件結構時，需要將之人為地分割成許多塊沒有孔和組件的小結構，并且對每塊小結構都要用NURBS曲面片建立其CAD模型，由于人為因素較大以及建模復雜，等幾何分析方法很少用于帶孔結構和帶組件結構的分析設計中。有限元分析方法雖然便于對帶孔結構和帶組件結構進行分析設計，但其采用的分析模型只是結構CAD模型的近似，分析模型在幾何上的誤差就會造成結構分析設計結果的誤差。為了提高分析精度，有限元分析方法需要對分析模型進行單元細分產生更多的單元，這樣就會導致計算量的增加和結構分析設計效率的降低。

發明內容

為了克服現有的有限元分析方法和等幾何分析方法在帶孔結構和帶組件結構分析設計效率低的不足，使帶孔結構和帶組件結構的分析模型與其CAD模型相同且可便于分析設計，本發明提出一種帶孔結構和帶組件結構的分析設計方法。該方法把帶孔結構或帶組件結構分成無孔結構和孔形結構兩個部分，這兩個部分都用一塊NURBS曲面片建立其CAD模型，用CAD模型的NURBS基函數和控制點代替有限元分析方法中的形函數和節點，使無孔結構和孔形結構的分析模型都與其CAD模型相同，分析帶孔結構時就將無孔結構中與孔形結構相同的部分刪除掉，分析帶組件結構時就將無孔結構中與孔形結構相同的部分賦予組件的材料特性，可以保證帶孔結構和帶組件結構的分析模型與其CAD模型相同。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種帶孔結構和帶組件結構的分析設計方法，其特點是包括以下步驟：

(a)將帶孔結構或帶組件結構分成兩部分，一部分是未開孔時的完整無孔結構，另一部分是與孔或組件形狀一樣的孔形結構。無孔結構和孔形結構按照NURBS曲面的表達形式可定義為：