基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法

1.本发明属于计算机辅助工程中的仿真计算技术领域，具体涉及基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法。


背景技术：

2.板壳框架式结构在工程中应用广泛，如各类起重机械、运输机械，桁架式钢结构桥梁、高塔等工程结构。由于板壳框架式结构在工作状态中承受多种载荷，且其节点的几何形式复杂、失效模式多样，因此在板壳框架式结构的设计过程中，快速精确地计算板壳框架式结构节点的应力以评定其结构强度，对于保证工程结构的安全性能至关重要。然而板壳框架式结构复杂、且实际工况多变，理论分析和实验测试的方法，均难以快速精确地获取板壳框架式结构节点的应力，因此通常采用有限单元法对板壳框架式结构的节点进行仿真计算。
3.尽管通过有限单元法来获得板壳框架式结构节点的应力已是仿真计算技术领域的常规方法，但是基于单一类型的单元，利用有限单元法计算板壳框架式结构节点的应力难以在计算精度和计算成本上实现很好的平衡，例如，若是仅采用壳单元进行离散，则无法考虑节点的真实几何形状的细节，导致节点应力的计算精度较低，若是仅采用体单元进行离散，由于板壳框架式结构的板厚远远小于构件长度，因此为了划分更加细密的网格以获得精确的应力，将导致网格规模过大、计算成本急剧增加，虽然通过连接体、壳两种单元建立体壳混合网格模型的方法，能够降低网格规模，但由于无法预知哪一个节点的应力最大，需要在初步计算后重新对整个板壳框架式结构进行建模，从而导致建模过程繁琐耗时、前处理成本高昂，或者采用子模型对节点部分进行局部计算，但子模型的边界条件难以精确施加。因此如何快速精确地的计算板壳框架式结构节点的应力，仍是当前板壳框架式结构节点强度评定所面临的关键难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述板壳框架式结构节点强度评定过程中所面临的快速精确获取节点应力难的问题，提供基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法。本发明方法能够有效克服现有板壳框架式结构节点的应力计算方法存在计算精度低或计算成本高等问题，可为板壳框架式结构节点的强度评定，快速地提供精确的节点应力结果。
5.本发明的基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法，包括如下的步骤：
6.（1）根据板壳框架式结构的几何信息，抽取构件的中面信息，建立板壳框架式结构的整体中面几何模型；
7.（2）对整体中面几何模型所有节点之间的各构件几何模型进行两次切分，且构件几何模型的切分面与相邻的结构节点中心的最近距离取为对应构件横截面最大弦长或最
大对角线尺寸的1~3倍，从而将整体中面几何模型分为各节点部分gni以及其余部分gm，其中i为节点序号，并将切分后的整体中面几何模型记为g；
8.（3）选取壳单元类型，对整体中面几何模型g的各节点部分gni划分网格，得到各节点部分gni的有限元网格sni，对整体中面几何模型g的其余部分gm划分网格，得到其余部分gm的有限元网格sm，sni和sm组成为整体中面几何模型g的初次有限元网格，记为m1；
9.（4）在m1上施加结构的约束与载荷，利用有限单元法求解得到结构的初次计算的应力结果，并提取应力最大的节点部分，其序号记为k；
10.（5）清除m1上的约束与载荷；
11.（6）将应力最大的节点部分的网格snk替换为实体单元类型的网格vn，得到板壳框架式结构的二次有限元网格，记为m2；
12.（7）在m2上施加结构的约束与载荷，再次利用有限单元法求解得到应力最大的节点部分二次计算的应力结果，并将其作为应力最大的节点部分的最终应力结果。
13.具体的，所述步骤（6）具体包括如下步骤：
14.（a）清除应力最大的节点部位的网格snk；
15.（b）删除应力最大的节点部位的中面几何模型gnk，并建立与其对应的三维实体几何模型；
16.（c）选取三维实体单元类型，对三维实体几何模型划分网格，得到三维实体几何模型的实体单元类型的网格vn；
17.（d）利用多点约束方法连接实体单元类型的网格vn和与vn接触的壳单元类型的网格。
18.本发明的基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法，不仅能够有效克服现有板壳框架式结构节点的应力计算方法存在计算精度低或计算成本高等问题，并可避免重复建立板壳框架式结构的模型，以及避免在局部模型上施加边界条件，从而可为板壳框架式结构节点的强度评定，提供一种快速精确获取板壳框架式结构节点应力的计算方法，同时本发明方法流程简洁、易于设计人员掌握。
附图说明
19.图1为本发明方法中板壳框架式结构的几何模型示意图。
20.图2为本发明方法中板壳框架式结构的整体中面几何模型示意图。
21.图3为板壳框架式结构初次计算应力结果的分布云图。
22.图4为板壳框架式结构在应力最大的节点部分的三维实体几何模型图。
23.图5为板壳框架式结构的二次有限元网格在应力最大的节点部分的示意图。
24.图6为板壳框架式结构应力最大的节点部分的二次计算应力结果的分布云图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
26.本发明的基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法，其具体实施步骤如下：
27.（1）根据板壳框架式结构的几何信息，抽取构件的中面信息，建立板壳框架式结构
的整体中面几何模型；
28.（2）对整体中面几何模型所有节点之间的各构件几何模型进行两次切分，且构件几何模型的切分面与相邻的结构节点中心的最近距离取为对应构件横截面最大弦长或最大对角线尺寸的1~3倍，从而将整体中面几何模型分为各节点部分gni以及其余部分gm，其中i为节点序号，并将切分后的整体中面几何模型记为g；
29.（3）选取壳单元类型，对整体中面几何模型g的各节点部分gni划分网格，得到各节点部分gni的有限元网格sni，对整体中面几何模型g的其余部分gm划分网格，得到其余部分gm的有限元网格sm，sni和sm组成为整体中面几何模型g的初次有限元网格，记为m1；
30.（4）在m1上施加结构的约束与载荷，利用有限单元法求解得到结构的初次计算的应力结果，并提取应力最大的节点部分，其序号记为k；
31.（5）清除m1上的约束与载荷；
32.（6）将应力最大的节点部分的网格snk替换为实体单元类型的网格vn，得到板壳框架式结构的二次有限元网格，记为m2，其具体步骤如下：
33.（a）清除应力最大的节点部位的网格snk；
34.（b）删除应力最大的节点部位的中面几何模型gnk，并建立与其对应的三维实体几何模型；
35.（c）选取三维实体单元类型，对三维实体几何模型划分网格，得到三维实体几何模型的实体单元类型的网格vn；
36.（d）利用多点约束方法连接实体单元类型的网格vn和与vn接触的壳单元类型的网格。
37.（7）在m2上施加结构的约束与载荷，再次利用有限单元法求解得到应力最大的节点部分二次计算的应力结果，并将其作为应力最大的节点部分的最终应力结果。
38.下面是将本发明方法应用于一个具体的实施例，以测试本发明方法的性能。
39.参见图1，实施例为一个板壳框架式结构。
40.根据图1中板壳框架式结构的几何信息，抽取构件的中面信息，建立板壳框架式结构的整体中面几何模型，并对整体中面几何模型所有节点之间的各构件几何模型进行两次切分，得到切分后的整体中面几何模型g，如图2所示，其中，g的节点部分如图2中的gni所示，g的其余部分如图2中gm的所示。
41.图3为板壳框架式结构初次计算应力结果的分布云图。由图3可知，位于板壳框架式结构的右侧中间部位的节点部分gnk的应力最大，且应力最大值为438e9pa。但是由于整体中面几何模型忽略了节点的几何细节，因此该应力最大值并非真实的节点应力，存在较大的误差，导致计算结果失真。
42.将gnk的网格snk清除，并删除gnk，然后建立与gnk对应的三维实体几何模型，如图4所示。选取三维实体单元类型，对图4所示的三维实体几何模型划分网格，得到三维实体几何模型的实体单元类型的网格vn，并利用多点约束方法连接实体单元类型的网格vn和与vn接触的壳单元类型的网格，得到板壳框架式结构的二次有限元网格m2，其中m2在在应力最大的节点部分的示意图如图5所示。在m2上施加结构的约束与载荷，并再次利用有限单元法求解得到应力最大的节点部分的二次计算应力结果，其分布云图如图6所示。由图6可知，gnk的最大应力值为192e9 pa。显然，由于考虑了节点的真实几何形状，因此gnk的最大应力
值的二次计算结果远低于其初次计算结果，且更加准确，同时在进行二次计算时，仅需对应力最大的节点部分重新建模，极大简化了建模过程，缩短了建模耗时，降低了计算成本。
43.虽然参考优选实施例对本发明进行了描述，但以上所述并不限定本发明的保护范围，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，任何在本发明的精神及原则内的修改、改进等，也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法，其特征在于包括如下的步骤：（1）根据板壳框架式结构的几何信息，抽取构件的中面信息，建立板壳框架式结构的整体中面几何模型；（2）对整体中面几何模型所有节点之间的各构件几何模型进行两次切分，且构件几何模型的切分面与相邻的结构节点中心的最近距离取为对应构件横截面最大弦长或最大对角线尺寸的1~3倍，从而将整体中面几何模型分为各节点部分gn
i
以及其余部分gm，其中i为节点序号，并将切分后的整体中面几何模型记为g；（3）选取壳单元类型，对整体中面几何模型g的各节点部分gn
i
划分网格，得到各节点部分gn
i
的有限元网格sn
i
，对整体中面几何模型g的其余部分gm划分网格，得到其余部分gm的有限元网格sm，sn
i
和sm组成为整体中面几何模型g的初次有限元网格，记为m1；（4）在m1上施加结构的约束与载荷，利用有限单元法求解得到结构的初次计算的应力结果，并提取应力最大的节点部分，其序号记为k；（5）清除m1上的约束与载荷；（6）将应力最大的节点部分的网格sn
k
替换为实体单元类型的网格vn，得到板壳框架式结构的二次有限元网格，记为m2；（7）在m2上施加结构的约束与载荷，再次利用有限单元法求解得到应力最大的节点部分二次计算的应力结果，并将其作为应力最大的节点部分的最终应力结果。2.根据权利要求1所述基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法，其特征在于：所述步骤（6）包括如下步骤：（a）清除应力最大的节点部位的网格sn
k
；（b）删除应力最大的节点部位的中面几何模型gn
k
，并建立与其对应的三维实体几何模型；（c）选取三维实体单元类型，对三维实体几何模型划分网格，得到三维实体几何模型的实体单元类型的网格vn；（d）利用多点约束方法连接实体单元类型的网格vn和与vn接触的壳单元类型的网格。

技术总结
本发明涉及基于有限单元法板壳框架式结构节点应力的二次计算方法，它包括根据板壳框架式结构的几何信息建立板壳框架式结构的整体中面几何模型；对整体中面几何模型所有节点之间的各构件几何模型进行两次切分，将整体中面几何模型分为各节点部分以及其余部分；选取壳单元类型，对整体中面几何模型划分网格，得到初次有限元网格；在初次有限元网格上施加结构的约束与载荷，利用有限单元法求解得到结构的初次计算的应力结果，并提取应力最大的节点部分；清除初次有限元网格上的约束与载荷，等。本发明方法能够克服现有板壳框架式结构节点应力计算方法存在的建模繁琐、计算成本高且约束及载荷施加困难、计算精度低等问题。计算精度低等问题。计算精度低等问题。


技术研发人员：卢海山 龚曙光 沈壮 张建平 左志坚
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/9/22