[發明專利]一種承載結構的傳力骨架可視化方法

在審

• 申請號: 201710942050.5
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107563102A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 吳鳳和;王朝華;李永欣;裴國斌
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙)13116
• 代理人: 崔鳳英

技術領域

本發明屬于工程結構優化設計領域，涉及一種承載結構的傳力骨架可視化方法。

背景技術

在航天航空、汽車、船舶等領域，對裝備的輕量化與高承載性等要求越來越顯著，對零件在實際工作中的“全局高剛度”要求也越來越高，獲取結構的傳力骨架成為國內外的研究熱點。目前，針對實體結構傳力骨架的可視化方法，普遍采用已在仿真軟件中集成的有限元分析法，通過得到的應力云圖來擬合傳力骨架，但復雜特征的應力集中常常導致獲取的傳力骨架不合理；此外，拓撲優化技術近二十年得到了快速發展，其主要優勢是在結構拓撲關系未知的情況下對材料進行空間的重新分配，但由于優化過程中結構的邊界形狀會發生改變、設計變量難以定量描述以及設計區域預先未知等因素導致傳力骨架的求解難度大大增加，且同一結構在不同的優化數學模型下得到的傳力骨架不一致，在一定程度上限制了傳力骨架可視化的準確性。因此，需要探索更加有效的思路來解決這些問題。

發明內容

本發明的目的在于克服了有限元分析、拓撲優化等現有技術的不足，提供一種承載結構的傳力骨架可視化方法，該方法可操作性強、能夠準確獲取力在結構中的傳遞路線。

為了解決上述存在的技術問題實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種承載結構的傳力骨架可視化方法，該方法內容包括如下步驟：

(1)使用三維CAD軟件建立結構模型，導入有限元分析軟件ANSYS APDL中，施加載荷和邊界條件，建立有限元模型；

(2)提交計算，完成靜力分析，讀取受力節點的位移d_i，根據式(1)計算出整體結構的應變能U，

其中n為施加載荷的節點總數，F_i為受力節點i被施加的力，d_i為受力節點i產生的位移；

(3)保持原有載荷和邊界條件不變，依次固定任意節點j，提交計算，完成靜力分析；讀取此時受力節點的位移d_i'，根據式(2)計算出整體結構的應變能U_j'，其中n為施加載荷的節點總數，不斷改變固定的節點號，直到所有節點都被依次固定，得到一組應變能值U'；

(4)根據式(3)計算步驟(3)各節點的應變能系數將各節點的坐標及應變能系數值寫入TXT或DAT格式文本中，保存；

(5)將步驟(4)得到的文本載入TECPLOT中，顯示應變能系數U^*云圖及等值線，該等值線又稱等剛度線，擬合出等值線的脊線，就是結構的傳力骨架。

由于采用上述技術方案，本發明提供的一種承載結構的傳力骨架可視化方法，與現有技術相比具有這樣的有益效果：

本發明以有限元理論為基礎，根據理論推導及數值分析擬合出傳力路徑，能夠準確便捷地實現承載結構中傳力骨架的可視化，可為實體結構的改進及優化提供參考。

本發明方法可操作性強、能夠準確獲取力在結構中的傳遞路線，可有效地避免有限元分析產生應力集中導致傳力路線不合理、拓撲優化過程中設計變量難以定量描述等因素導致傳力骨架求解難度大大增加等缺陷，為設計出具有“全局高剛度”的零件提供技術支持。

附圖說明

圖1為本發明的計算框圖；

圖2為本發明的計算流程圖；

圖3(a)為實施例的幾何模型圖，圖3(b)為實施例的有限元模型圖；

圖4為固定節點j后的有限元模型圖；

圖5(a)為應變能系數云圖，圖5(b)為等剛度線圖示，圖5(c)為擬合的傳力骨架圖示，圖5(d)為以最小質量為目標，以最大剛度為約束的拓撲優化結果圖。

具體實施方式

為了便于本領域技術人員的理解，下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步說明：

本發明提供的一種承載結構的傳力骨架可視化方法，其計算框圖如圖1所示。首先基于有限元理論求解結構的應變能值，然后依次固定各節點并求解邊界條件變化后結構的應變能值，以此構建各節點與載荷點的剛度關系，得到各任意節點的應變能系數，根據云圖擬合傳力路線，即結構的傳力骨架。

參見圖2，所述方法具體內容包括如下步驟：

(1)使用三維CAD軟件建立結構模型，導入有限元分析軟件ANSYS APDL中，設置材料屬性參數，劃分單元并添加邊界條件，建立有限元模型；

(2)在ANSYS APDL中，提交計算，完成靜力分析，讀取受力節點的位移d_i，根據式(1)計算出整體結構的應變能U，