[发明专利]一种用于管板的六面体有限元网格剖分方法

说明书

本发明公开了一种用于管板的六面体有限元网格剖分方法。本发明主要包括：以管板中心对称线为坐标轴Z，管板管程侧表面内水平对称线为坐标轴X，竖直对称线为坐标轴Y，三根坐标轴交点为原点O，确定每根换热管中心对称线在XOY平面内坐标，并存储至对应数组；遍历管板管程侧表面开孔中心点坐标数组，通过循环在管板几何模型管程侧表面开孔处逐个建立正六边形；遍历管板管程侧表面开孔中心点坐标数组坐标数据，通过循环利用开孔中心点与嵌套换热管正六边形顶点和各边中点之间的连线，切分正六边形域内多个正六边形域，等。本发明方法能够克服现有管板网格剖分方式的缺点，简洁快速地获得管板的六面体网格，有效提高管板的有限元网格质量。

技术领域

本发明属于计算机辅助工程中的仿真计算技术领域，具体涉及一种用于管板的六面体有限元网格剖分方法。

背景技术

管板是工业装备中一种极为重要的机械零部件，广泛存在于换热器、锅炉、余热回收装置和管式加热炉等工业装备。管板为一种多孔板结构，其开孔内嵌入换热管道，用于加热或冷却介质。通常管板在工作状态中要承受一定的压力，因此其结构的强度评定对于工业装备的安全稳定运行至关重要。然而管板结构复杂，且实际工况多变，理论分析和实验测试的方法，均难以快速准确地评估管板的结构强度，因此通常采用有限元方法对管板进行仿真分析。

有限元仿真结果的精度，严重依赖于结构的网格划分，甚至网格质量很差时，可能导致严重失真的仿真结果。为了得到形态规整、质量优异的有限元网格，需要对管板的几何模型进行切分，以便能够采用映射或扫掠方式划分网格，但传统手动逐步的切分方式难以简洁快速地处理管板的多孔结构，并且手动切分也难以满足管板的六面体网格划分要求。因此，现有的管板网格剖分方式制约了其有限元仿真的有效应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的管板网格剖分方式制约管板有限元仿真有效应用的技术问题，提供一种用于管板的六面体有限元网格剖分方法。该方法能够克服现有管板网格剖分方式的缺点，简洁快速地获得管板的六面体网格，有效提高管板的有限元网格质量。

本发明的一种用于管板的六面体有限元网格剖分方法，包括如下的步骤：

(1)以管板的中心对称线为坐标轴Z，管板的管程侧表面内的水平对称线为坐标轴X，竖直对称线为坐标轴Y，三根坐标轴的交点为原点O，并根据管板布管区内换热管的布置规则即换热管的布置规则分为正三角形或正四边形布置，确定每根换热管中心对称线在XOY平面内的坐标，即管板管程侧表面开孔中心点的坐标，并存储至对应的数组；

(2)遍历管板管程侧表面开孔中心点的坐标数组，通过循环的方式，在管板几何模型管程侧表面的开孔处逐个建立正六边形；并利用建立的正六边形切分管板的几何模型，切分后的管板几何模型分为嵌套换热管的正六边形域Ω1、非嵌套换热管的多边形域Ω2和非布管区Ω3，其中换热管为圆环形域；

(3)遍历管板管程侧表面开孔中心点坐标数组的坐标数据，通过循环的方式，利用开孔中心点与嵌套换热管的正六边形的顶点和各边中点之间的连线，切分步骤(2)所述Ω1内的多个正六边形域；

(4)遍历管板管程侧表面开孔中心点坐标数组的坐标数据，通过循环的方式，利用非嵌套换热管的多边形的中心点与多边形各边的中点之间的连线，切分步骤(2)所述Ω2内的多个多边形域；

(5)采用映射方式划分步骤(2)所述Ω1和Ω2的几何区域，采用扫掠方式划分步骤(2)所述Ω3的几何区域，得到全部由六面体网格组成的管板有限元网格。

具体的，步骤(2)具体包括如下步骤：

(a)对于处于循环中的管板管程侧表面某个开孔的中心点，提取其坐标数据；

(b)以步骤(a)所述的坐标数据为中心点坐标，管板开孔中心点间距的一半为边长，建立嵌套了步骤(a)所述开孔的正六边形；