[发明专利]一种点蚀损伤圆柱壳的四边形有限元网格自动生成方法

摘要

本发明公开了一种点蚀损伤圆柱壳的四边形有限元网格自动生成方法，在有限元软件中对点蚀损伤圆柱壳模型关键几何尺寸进行参数化设定，通过分段表达构建圆柱壳的端部完善区域、点蚀区域和点蚀间隔区的三个标准的基本分段，利用拷贝、平移和分割的方法构建包含多层点蚀区域、点蚀间隔区以及端部完善区域的整体点蚀损伤圆柱壳的几何模型，根据点坑位置及各分区的尺寸特征将几何模型分组，设定各分组对象区域边界的网格划分数目，利用映射MAPPED和AMAP划分圆柱壳整体模型，最终生成四边形网格单元的整体有限元模型；解决了宏观尺度结构中的细观点蚀损伤描述问题，提高了仿真计算的求解精度和求解效率。

主权项

一种点蚀损伤圆柱壳的四边形有限元网格自动生成方法，其特征在于包含下述步骤：（1）在有限元软件中对点蚀损伤圆柱壳的关键几何尺寸进行参数化设定，关键几何尺寸包括：圆柱壳的中面半径R、壳体厚度t、圆柱壳长度L、点蚀损伤深度h、点蚀损伤直径d、点蚀影响区长度l=d/2、周向的点坑数目M、纵轴向的点坑层数N和端部完善区长度L1；（2）根据圆周方向的点坑数目M和圆柱壳的中面半径R，建立由M段等长圆弧组成的半径为R的圆，并将分段的圆沿纵轴向拉伸成为分段的圆柱壳；将分段的圆柱壳沿纵轴向分割为长为L1的端部完善区域标准段1、长为L2=d+2l的点蚀区域标准段2、长为L3=(L‑2L1‑2d)/(N‑1)‑2d的点蚀间隔区标准段3；在点蚀区域L2内，沿圆柱壳周向建立M个与圆柱壳正交的直径为d的圆柱体，各圆柱体正好处于点坑所在位置，且圆柱体的轴线均指向圆柱壳横截面中心；利用所述圆柱体的外表面分割构建的圆柱壳上与其正交的点蚀区，建立点蚀区标准段；（3）以步骤（2）的标准分段为对象，利用拷贝和平移的方法构建整体点蚀损伤圆柱壳的几何模型；（4）按点坑位置沿圆周向分割步骤（3）构建的圆柱壳几何模型；（5）根据点坑位置及各分区的尺寸特征，对步骤（4）构建的圆柱壳几何模型各典型分区进行分组；（6）根据步骤（5）的分组，设定各组对象的区域边界网格划分数目；（7）利用映射划分整个点蚀圆柱壳的几何模型，生成四边形单元网格有限元模型；步骤（3）中利用拷贝和平移的方法构建整体点蚀损伤圆柱壳的几何模型的方法是：1）长度为L2的点蚀区标准段2拷贝并沿纵轴向平移N次，平移距离为L3+2d；2）长度为L3的点蚀间隔区标准段3拷贝并沿纵轴向平移N‑1次，平移距离为L3+2d；3）长度为L1的端部完善区标准段1拷贝并沿纵轴向平移1次，平移距离为L‑ L1；4）将各分段连接为整体，点蚀损伤圆柱壳沿纵轴向共分割为3N+1段，沿周向共分割为M段；步骤（4）中的按点坑位置沿圆周向分割圆柱壳几何模型的方法是：1）在柱坐标系下，对圆柱壳几何模型沿周向的第j个分段，在点坑中心沿纵轴向分割；2）在柱坐标系下，对圆柱壳几何模型沿周向的第j个分段，在r‑平面内偏离点坑中心+2l 弧长的位置将其沿纵轴向分割；3）在柱坐标系下，对圆柱壳几何模型沿周向的第j个分段，在r‑平面内偏离点坑中心‑2l 弧长的位置将其沿纵轴向分割；4）利用有限元软件的面边界连接功能，将各基本分段连接为整体，点蚀损伤圆柱壳沿纵轴向共分割为3N+1段，沿周向共分割为3M段；步骤（5）中对构建的圆柱壳几何模型各典型分区进行分组的方法是：1）选择端部完善区长度为L1的线段，继续选择与所选线段相关的圆柱壳表面，将所选面定义为端部完善区组，共有6M个面；2）选择点蚀区长度为L2的线段，继续选择与所选线段相关的圆柱壳表面，将所选面定义为点蚀区组；3）进一步选择点蚀区组中半径为d/2的点坑区域，将所选面定义为点坑组，共有4M×N个面；4）进一步选择点蚀区域组中长度为l的点蚀影响区域，将所选面定义为点蚀影响区组，共有4M×N个面；5）剔除点蚀区组中的点坑组和点蚀影响区组，将剩余部分面定义为点蚀区完善区组，共有2M×N个面；6）选择点蚀区间隔长度为L3的线段，继续选择与所选线段相关的圆柱壳表面，将所选面定义为点蚀间隔区组，共有3M×(N‑1)个面；步骤（6）中设定各组对象的区域边界网格划分数目的方法是：1）选择点坑组的边界，为保证最终生成的网格为四边形，将其设定为2k偶数等分，k =1或2；2）选择点蚀影响区组边界，并剔除与点坑共用的圆弧边界线，为保证最终生成的网格为四边形，且与点坑组的网格匹配，设定为k等分，k =1或2；3）选择端部完善区组、点蚀区完善区组以及点蚀间隔区组的边界，为保证最终生成的网格为四边形，将其设定为2/k×d网格控制长度，k =1或2；步骤（7）中生成四边形单元网格有限元模型的方法是：1）从点蚀影响区组中选择任意一个面J，J=1，……，4M×N，选择该面的所有边界，剔除其中长度为d的两条直线边界，保留长度为l的两条直线边界和一条1/4点坑周长的曲线边界，后三条边界为连续的线段；2）选择与三条连续边界相关的四个关键点，通过边界与关键点的连接关系定义连续边界的方向，从所有关键点中选择任意只与一条边界相连的关键点作为连续边界的起点P1，并将与其相连的边界定义为第一条边界，第一条边界的另一端点则为第二关键点P2；3）从步骤2）中确定的第二点开始，搜索步骤1）三条连续边界中另一条与关键点P2相连的边界，将其定义为第二条边界，该边界的另一端点则为第三关键点P3；4）从步骤3）中确定的第三点开始，搜索步骤1）的三条连续边界中另一条与关键点P3相连的边界，将其定义为第三条边界，该边界的另一端点则为第四关键点P4；5）递增j值，每次递增值为1，重复上述步骤1）至步骤4），依照关键点P1指向关键点P4的顺序，利用AMAP划分第J面，完成点蚀影响区的网格自动生成；6）利用MAPPED划分端部完善区组、点坑组、点蚀区完善区组和点蚀间隔区组，完成点蚀损伤圆柱壳的所有网格自动生成。