[发明专利]带孔结构和带组件结构的分析设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分析设计方法，特别涉及一种带孔结构和带组件结构的分析设计方法。适用于对带孔结构和带组件结构的几何尺寸精度要求高的场合。

背景技术

为了满足减重、装配、降低耗材以及排气排污等要求，在机械工程和建筑工程中应用到许多开有各种孔洞的结构，也即带孔结构。若将孔洞填充为另一种材料，就成为带组件结构问题，这些填充实体在工程上可代表被连接的仪器设备等，在此统称为组件。孔洞和组件的引入必然会破坏结构的完整性，从而引起结构的应力集中、疲劳强度下降等一系列问题。孔洞和组件的形状、尺寸和位置对结构力学响应的影响一般都很大，在航空航天等对结构几何尺寸精度要求很高的领域中，孔洞和组件给结构带来的影响都需要精确地进行模拟和分析。

目前，最常用的结构分析设计方法就是公知的有限元分析方法，商业有限元分析软件如ANSYS、NASTRAN等已广泛应用于各种工程领域中，用以对任意复杂结构包括带孔结构和带组件结构进行分析设计。有限元分析方法首先把被分析结构的CAD模型转换成与之近似的分析模型，然后将分析模型划分成很多形状简单的单元进行分析。有限元分析精度的提高主要通过单元细分来实现，在单元细分过程中要保持分析模型与CAD模型之间的交互，使单元细分后的分析模型能够更加逼近结构的CAD模型。

文献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.”公开了一种结构分析设计方法，称为等几何分析方法。等几何分析方法采用CAD中用于几何造型的非均匀有理B样条(NURBS)的基函数和控制点代替有限元分析方法中的形函数和节点，实现了CAD模型与分析模型的有机融合，在结构分析时能方便地进行单元细分并且能保证分析模型与CAD模型始终相同。

然而文献1的等几何分析方法难以对带孔结构和带组件结构进行分析设计，这是由于等几何分析方法所分析结构的CAD模型只限于用NURBS曲面片建立，NURBS曲面片是由一个完整的矩形参数区域映射而成，而一个完整的矩形参数区域很难映射成带孔结构或带组件结构的CAD模型。因此，等几何分析方法在分析带孔结构和带组件结构时，需要将之人为地分割成许多块没有孔和组件的小结构，并且对每块小结构都要用NURBS曲面片建立其CAD模型，由于人为因素较大以及建模复杂，等几何分析方法很少用于带孔结构和带组件结构的分析设计中。有限元分析方法虽然便于对带孔结构和带组件结构进行分析设计，但其采用的分析模型只是结构CAD模型的近似，分析模型在几何上的误差就会造成结构分析设计结果的误差。为了提高分析精度，有限元分析方法需要对分析模型进行单元细分产生更多的单元，这样就会导致计算量的增加和结构分析设计效率的降低。

发明内容

为了克服现有的有限元分析方法和等几何分析方法在带孔结构和带组件结构分析设计效率低的不足，使带孔结构和带组件结构的分析模型与其CAD模型相同且可便于分析设计，本发明提出一种带孔结构和带组件结构的分析设计方法。该方法把带孔结构或带组件结构分成无孔结构和孔形结构两个部分，这两个部分都用一块NURBS曲面片建立其CAD模型，用CAD模型的NURBS基函数和控制点代替有限元分析方法中的形函数和节点，使无孔结构和孔形结构的分析模型都与其CAD模型相同，分析带孔结构时就将无孔结构中与孔形结构相同的部分删除掉，分析带组件结构时就将无孔结构中与孔形结构相同的部分赋予组件的材料特性，可以保证带孔结构和带组件结构的分析模型与其CAD模型相同。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带孔结构和带组件结构的分析设计方法，其特点是包括以下步骤：

(a)将带孔结构或带组件结构分成两部分，一部分是未开孔时的完整无孔结构，另一部分是与孔或组件形状一样的孔形结构。无孔结构和孔形结构按照NURBS曲面的表达形式可定义为：