[发明专利]航空航天薄壁壳体建模的五面体六节点体壳单元构造方法

说明书

本发明公开了航空航天薄壁壳体建模的五面体六节点体壳单元构造方法：基于已有的面内最优三角板壳单元刚阵和面外弯曲刚阵，提出一种三角板壳单元节点自由度的模态位移变换方法，形成一种高性能的五面体六节点体壳单元。本发明构造的单元完全达到与常规三角板壳单元在面尺度上的剖分效率，不仅构造简单，且很好解决了厚度方向的梯度锁死问题，与六面体八节点体壳单元一起，形成一类既能达到板壳单元建模效率、又能提供仅有节点平动自由度的薄壁结构有限元数值建模基础工具，为工程薄壁结构的有限元数值建模提供了一种简捷实用、效率高且边界适应性强的技术途径。

技术领域

本发明涉及结构建模技术领域，尤其涉及航空航天薄壁壳体建模的五面体六节点体壳单元构造方法。

背景技术

工程结构有限元数值分析已成为现代工程结构设计中的最基本应用技术手段，对于考察其变形与内力特性，发现设计构形缺陷、合理降低结构重量、提高设计品质、保证工程使用的刚度与安全特性等具有重要的工程应用价值。结构有限元数值分析的最基本步骤是对大型结构按照有限单元库提供的基本力学单元类型进行结构的离散化几何剖分，最终形成关于剖分节点运动自由度作为未知量的结构总体刚度方程。显然剖分的单元越大，离散的几何节点越少，则力学性能分析的精度一般就越低；反之，剖分的单元越小，离散节点越多，虽力学分析精度明显提高，但分析规模变大，计算成本提高。剖分单元的大小取决于基本单元的性能，因此，单元力学特性的构造方法是结构数值分析中的一项最基础的核心技术。

本发明涉及航空航天领域等薄壁壳体结构的有限元数值建模技术，薄壁壳体指其面尺度远大于厚度尺寸的结构体，通常薄壁结构还需要在壳体的内表面用桁条或称筋条来加强其面外刚度特性。在外载荷作用下，线弹性变形的薄壁壳体内力可分解为均匀的面内正应力和剪应力，以及沿厚度方向反对称线性分布的弯曲应力、扭转剪应力以及抛物线型的横向剪应力，如图2所示。薄壁结构有限元数值分析软件通常提供了可良好模拟板壳变形及内力的四边形板壳单元、三角板壳单元以及梁单元，以适应于工程薄壁结构的数值建模与计算分析。