[發明專利]一種ANSYS中等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型的建立方法有效

申請號：	201510413793.4	申請日：	2015-07-15
公開（公告）號：	CN104933271B	公開（公告）日：	2018-01-23
發明（設計）人：	薛文慧;王惠;黨凡陽;陳婷;陳守謙;張旺;范志剛	申請（專利權）人：	哈爾濱工業大學
主分類號：	G06F17/50	分類號：	G06F17/50
代理公司：	哈爾濱龍科專利代理有限公司23206	代理人：	高媛
地址：	150000 黑龍***	國省代碼：	黑龍江;23
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種 ansys 中等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型建立方法
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【說明書】：

技術領域

本發明屬于氣動光學效應研究領域，涉及一種ANSYS中等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型的建立方法。

背景技術

隨著科學技術的迅速發展，研究發現飛行器二次曲面光學頭罩在復雜氣動熱環境下具有比球形頭罩更小的阻力和更好的成像質量，因而深入研究其氣動性能對于指導飛行器頭罩的外形設計具有重要的意義，同時也為氣動熱環境下高速飛行器外流場和頭罩光傳輸仿真分析和頭罩熱輻射計算提供數據支持。

氣動熱環境下二次曲面光學頭罩由于熱傳導和熱應力等效應導致頭罩材料的外形和光學性質發生變化，進而影響來自目標的紅外輻射光線傳輸，使得高速飛行器成像探測系統對目標圖像產生像模糊、抖動、偏移和能量衰減，最終將嚴重影響高速飛行器的探測性能。飛行器在大氣層中高速飛行時其頭罩與來流之間發生劇烈的相互作用，頭罩溫度升高，使光學成像探測系統處于復雜的氣動熱環境中，這種效應稱為飛行器光學頭罩氣動熱效應。要想分析二次曲面光學頭罩氣動熱效應，我們需要先建立其有限元分析模型，然后利用有限元分析軟件ANSYS對頭罩進行熱-結構耦合計算，對應分析其氣動熱效應。

在ANSYS前處理器中的模型建立模塊，可以直接通過用戶界面建立的模型種類較少。常見的可以直接利用ANSYS中現有的建模工具進行建模的只有像等厚度球形頭罩，長方體平板側窗等較普遍、較規則的形狀，對于一些較復雜的面形以及多形狀拼接的模型，在ANSYS中直接建立模型比較困難。但是隨著科技的發展，飛行器的頭罩種類已經從球形向上述的二次曲面(也稱共形)、多形狀拼接型(例如球錐型)，以及自由曲面等方向發展。要想對飛行器高速飛行狀態下的外流場以及其自身進行分析，有限元分析模型的正確建立是其前提條件。但是在不借助其他如SolidWorks、Proe、UG等相關建模軟件的幫助下，在ANSYS中直接建立飛行器等厚度二次曲面頭罩有限元模型、多形狀拼接頭罩有限元模型比較困難。本發明提出了一種在ANSYS中采用自底向上建立等厚度二次曲面頭罩有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面面形包括橢球面形與拋物面形。

發明內容

為了解決在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型難的問題，使得以后對于二次曲面光學頭罩的熱結構耦合計算從實體模型到有限元模型的建立、熱力學邊界條件的加載以及到整體熱-結構耦合計算的實現都可以在ANSYS中進行而不必借助其他實體模型建立軟件，本發明提供了一種ANSYS中等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型的建立方法。在本發明中，采用ANSYS-APDL語言開發了一種自底向上建立等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面光學頭罩有限元模型包括拋物面有限元模型與橢球面有限元模型。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種ANSYS中等厚度二次曲面頭罩有限元模型的建立方法，包括以下步驟：

一、確定二次曲線方程，并將其轉化為函數形式

根據要建立的二次曲面光學頭罩有限元模型的基本參數，對其立體模型在XY平面進行投影，確定該平面上內外側二次曲線方程，并將其轉換為函數形式。

在本發明中，所建立的二次曲面光學頭罩有限元模型包括橢球形與拋物面形兩種形狀，對應的二次曲線方程包括橢圓方程與拋物線方程。建立平面直角坐標系，得到要建立的橢球在XY平面的截面圖，如圖1所示，依據下邊橢圓方程：

式中，a——橢圓半長軸，b——橢圓半短軸。

分別將內外側特殊點數據帶入上述參數方程，即得到內外側兩條部分橢圓曲線的曲線方程。

為了下一步建立一系列關鍵點，需要將得到的橢圓參數方程轉化為如下的函數形式：

同理依據拋物線參數方程：

y＝ax²+b

式中：a，b均為系數。

建立直角坐標系，如圖2所示，依據所給拋物線基本技術參數，取特殊點數據帶入拋物線方程中，因而可以確定內外側拋物線的曲線方程。