基于有限元分析软件的自由曲面空间结构参数化建模方法与流程

1.本发明涉及自由曲面空间结构的参数化建模方法，具体涉及一种快速布置不规则曲面空间结构杆件的几何网格，并且快速将有限元模型转化为计算软件可以识别的cad格式文件的方法。


背景技术：

2.目前，对复杂异形建筑的需求越来越多，较大型的项目如体育场馆、会展建筑、博物馆、车站、机场、航站楼等，较小型的项目如售楼中心、大门等建筑，均展现出对不规则形体的热衷。复杂异形空间结构正是在这种需求下发展出来的，可建造出造型优美的建筑。
3.不规则的异形曲面，无法用数学函数进行准确描述，因而进行结构建模时，也是无规律可循，存在很大的难度。
4.现有技术中的建模方法大致有以下类型：mst、3d3s等网架计算分析软件中带有标准网格的建模功能，可以根据拟建立的几何模型首先选择类别，如网架、网壳等；midas gen、sap2000等通用有限元软件中也带有一些基本的空间结构建模功能，也是通过输入关键的参数来建立模型，其生成空间结构的方式与mst等专业空间结构软件类似；利用autocad、rhino等cad类软件手工绘制空间结构杆件的网格模型；利用rhino软件中的grasshopper插件可视化编程建模。应用现有技术中的建模方法建造了大量的规则或不规则的工程，但建模效率相对低下、费事费力且容易出错，没有统一的规律性的方法可循。
5.因此，亟需找到快速、自动、便于掌握的适用于空间不规则曲面的建模方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种建模效率高的基于有限元软件的自由曲面空间结构参数化建模方法。
7.参数化建模是一种广泛应用于计算机辅助设计和工程领域的技术。它通过使用参数来定义和控制模型的特征和属性，使得模型的创建和修改变得更加灵活和高效。通过参数化建模，设计师可以将模型的尺寸、形状等属性与特定的数值参数关联起来。这样一来，当需要对模型进行修改时，只需要调整参数的数值，而不需要重新绘制整个模型。这种灵活性使得参数化建模成为了设计过程中的重要工具，能够大大提高设计的效率和精确度。本发明步骤3通过在有限元软件fea中自定义网格尺寸，实现参数化布置不规则曲面空间结构的杆件几何网格。
8.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于有限元软件的空间自由曲面参数化建模方法，包括以下步骤：s1：建立空间自由曲面的空间模型控制线（例如脊线、谷线、棱线等）的三维cad模型，将该空间模型控制线的cad文件导入有限元软件（fea）中；s2：利用有限元软件中
ꢀ“
通过闭合曲线生成曲面的功能”，得到空间曲面；s3：使用有限元软件的“自动网格划分”功能，对空间曲面进行网格划分，得自动划
分网格模型；然后，使用有限元软件的“重新划分网格”功能，自定义网格类型和网格尺寸，对自动划分网格模型重新划分网格，得自定义类型网格模型，导出自定义类型网格模型的.stl文件，并导入3ds max软件，通过3ds max软件导出cad格式文件，完成自由曲面空间结构参数化建模。
9.本发明建模方法利用有限元分析软件强大高效的网格划分功能，通过少数软件命令，实现快速布置不规则曲面空间结构的杆件几何网格，并将有限元模型转化为通用计算软件(例如midas gen、yjk、sap2000等)可以识别的cad格式文件，得到该cad格式文件，继而导入通用计算软件，实现杆件的计算分析和设计。本发明建模方法简单、便捷、高效，能够快速掌握，所建模型根据后期需求，也可以快速修改调整。
附图说明
10.图1是本发明建模方法的建模流程示意图。
11.图2是实施例中需要建模的空间折面模型脊线的cad文件示意图。
12.图3是图2所示的cad文件导入有限元软件后，生成的空间曲面示意图。
13.图4是图3所示空间曲面自动划分网格后的四边形网格示意图。
14.图5是将图4所示四边形网格重新划分为三角形网格的示意图。
15.图6是图5所示示意图导入3ds max软件后导出的.cad格式文件。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
17.实施例1某空间折面模型沿长向跨度最大为125.6m，短向跨度约12.0m～24.0m，最高点高度29.9m。空间折面共由28个空间倾斜的三角面组成，三角面相接的位置形成48条脊线。基于有限元软件对该空间折面进行参数化建模，建模流程图，如图1所示。该空间折面模型建模过程：s1：在图形软件，例如autocad或rhino软件中，建立空间折面模型的三维脊线（棱线）模型，如图2；将该三维脊线模型的cad文件导入有限元软件中；s2：利用有限元软件中“通过闭合曲线生成曲面”的功能，生成空间曲面，如图3；s3：使用有限元软件的自动网格划分功能，对空间曲面进行网格划分，得到软件默认的四边形网格模型；再使用重新划分网格功能，选择网格类型为三角形，并自定义网格尺寸，得到三角形网格模型；导出三角形网格模型的.stl文件，并导入3ds max软件，通过3ds max软件导出cad格式文件，完成自由曲面空间结构参数化建模。
18.现有技术中通常利用autocad、rhino等cad类软件直接绘制空间结构的网格模型，费力耗时。以实施例1为例，用autocad软件直接绘制网格至少需要一天时间，且网格尺寸均匀性和拓扑合理性尚需后期进行调整，而利用本发明建模方法划分网格只需要不到一个小时，大大提高了工作效率，且模型网格尺寸均匀、拓扑合理。
19.传统参数化建模方法，利用rhino软件中的grasshopper插件需要通过编程来实现，技术难度较大、对技术人员的逻辑思维能力要求较高，本发明基本为固定流程式操作、过程简单便于掌握。


技术特征：
1.一种基于有限元软件的空间自由曲面参数化建模方法，其特征在于，该建模方法包括以下步骤：s1：建立空间自由曲面的空间模型控制线的三维cad模型，将该空间模型控制线的cad文件导入有限元软件；s2：利用有限元软件“通过闭合曲线生成曲面”的功能，得到空间曲面；s3：使用有限元软件的“自动网格划分”功能，对空间曲面进行网格划分，得自动划分网格模型；然后，使用有限元软件的“重新划分网格”功能，自定义网格类型和网格尺寸，对自动划分网格模型重新划分网格，得自定义类型网格模型，导出自定义类型网格模型的.stl文件，并导入3ds max软件，通过3ds max软件导出cad格式文件，完成自由曲面空间结构参数化建模。2.如权利要求1所述的基于有限元软件的空间自由曲面参数化建模方法，其特征在于，步骤s1中，空间模型控制线为脊线、谷线和棱线。3.如权利要求1所述的基于有限元软件的空间自由曲面参数化建模方法，其特征在于，步骤s3中，自定义网格类型为三角形。

技术总结
本发明公开了一种基于有限元软件的空间自由曲面参数化建模方法，建立空间自由曲面空间模型控制线的三维cad模型，将cad文件导入有限元软件；利用“通过闭合曲线生成曲面”的功能，得空间曲面；使用“自动网格划分”功能，对空间曲面进行网格划分，得自动划分网格模型；再使用“重新划分网格”功能，自定义网格类型和网格尺寸，对自动划分网格模型重新划分网格，得自定义类型网格模型，导出.stl文件，导入3DS MAX软件，导出CAD格式文件，完成自由曲面空间结构参数化建模。该建模方法简单、便捷、高效，能够快速掌握，所建模型根据后期需求，也可以快速修改调整。快速修改调整。快速修改调整。


技术研发人员：张晨 江重阳 张昊强 乔帅斌 李亚兰 张强 陈振福 李煜
受保护的技术使用者：甘肃省建筑设计研究院有限公司
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/20