[發明專利]一種基礎運動時柔性殼結構大變形響應的有限元建模方法

有效

• 申請號: 201410302014.9
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104091003B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 楊勁松;夏品奇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明涉及一種基礎運動時柔性殼結構大變形響應的有限元建模方法，屬于非線性柔性結構動力學領域。

背景技術

基礎運動的柔性殼結構廣泛存在于工程應用中，如直升機旋翼槳葉、渦輪機葉片、衛星太陽能帆板等。隨著人們不斷地追求更優化的結構設計，輕質、高度柔性的殼結構不斷涌現。高度柔性殼結構在大范圍且快速的基礎運動(平動與轉動)的激勵下常常會產生大位移、大轉動的大變形運動。發展準確有效的有限元建模技術以計算其復雜的大變形響應對它們的設計及運動控制具有重要的研究意義和廣泛的應用價值。

有限元方法是在理論研究、工程應用中對特定對象進行結構分析的常用計算方法，自該方法出現以來，人們開發了大量的商用有限元軟件廣泛地應用于航空航天、建筑等領域。然而，對于基礎運動時柔性殼的大變形響應問題，現有的商用有限元軟件無法進行計算，其主要原因在于該問題同時涉及結構大變形的幾何非線性效應以及基礎運動所引起的慣性非線性效應。此外，在已經報導的科技文獻中，求解這類問題的計算方法主要是基于小變形假設的有限元建模技術，在該技術中首先定義一個浮動參考系固結于柔性殼結構作指定的基礎運動，然后采用有限元建模技術在浮動參考系中對柔性殼的小變形響應進行建模分析。然而，當基礎運動引起的幾何非線性較強時，基于小變形假設的有限元建模技術會產生較大誤差甚至錯誤的結果。由此可見，對于基礎運動時柔性殼的大變形響應計算，現有技術存在一系列的限制，有必要探索新的建模技術以解決現有技術的不足。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提出了一種基礎運動時柔性殼結構大變形響應的有限元建模方法，該方法在浮動參考系中對柔性殼結構運動引入大變形假設，能夠準確地計算基礎運動時柔性殼結構涉及大位移、大轉動的大變形響應。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種基礎運動時柔性殼結構大變形響應的有限元建模方法，包括以下步驟：

步驟1、計算模型數據準備：包括采用計算機輔助設計軟件建立柔性殼結構的幾何模型，采用網格劃分軟件劃分計算網格單元，對單元的材料屬性及厚度進行賦值；

步驟2、建立有限單元分析模型：包括確定單元的慣性力、內力矢量以及切向慣性矩陣與切向剛度矩陣；

步驟3、進行柔性殼大變形響應計算：對于某一時間步長內的某次迭代包括確定基礎運動的平動和轉動的速度與加速度，利用步驟1得到的計算模型數據結合步驟2建立的有限單元分析模型，根據時間積分算法及迭代求解技術建立單元迭代方程，對所有單元進行組集得到結構迭代方程并進行求解，對計算結果進行更新，判定計算是否收斂以推進至下一時間步或下一次迭代的計算；

步驟4、對計算結果進行后處理操作：包括繪制結構的變形構形圖，某點的位移、速度響應曲線以及結構的動能、應變能及總能量曲線。

步驟3所述的大變形響應是指大位移和大轉動響應。

步驟1所述的計算網格單元為三角形單元。

步驟2所述的單元慣性力矢量是指基于幾何精確準力學殼模型運動學描述的，所述的單元內力矢量是指基于共旋列式理論的。

步驟3所述的時間積分算法為廣義能量—動量算法，所述的迭代求解技術為牛頓—拉夫遜迭代技術。

步驟3所述的對計算結果進行更新是指采用標準的紐馬克公式材料形式的角速度及角加速度進行更新的技術。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1.對于基礎運動時柔性殼結構的響應問題，本發明的有限元建模方法通過引入幾何精確準靜力學殼模型的運動學模型結合共旋列式的理論思想，完整地計入了非線性慣性效應以及幾何非線性效應。

2.本發明的有限元建模方法既可用于計算涉及大位移、大轉動的大變形響應，也可用于計算涉及小位移、小轉動的小變形響應。

附圖說明

圖1為本發明的有限元建模方法流程圖。

圖2為豎直放置的旋轉柔性板示意圖。

圖3為豎直放置旋轉柔性板在不同時刻的小變形構形俯視圖。

圖4為豎直放置旋轉柔性梁在不同時刻的大變形構形俯視圖。

圖5為水平放置考慮重力作用的旋轉柔性板示意圖。

圖6為水平放置旋轉柔性板在不同時刻的大變形構形圖。

具體實施步驟

下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。

本發明的有限元建模方法如圖1所示：

步驟1.計算模型數據準備。