一种各向异性材料的应力应变分析方法与流程

1.本发明涉及各向异性材料的应力应变分析领域，尤其涉及一种各向异性材料的孤立网格坐标映射方法。


背景技术：

2.陶瓷材料属于各向异性材料，具有耐高温、密度低、耐腐蚀、硬度高等特点，因此被广泛应用于航空发动机等设备中，例如，火焰筒、涡轮导叶、涡轮外环、尾喷管等。但由于航空发动机对其性能和稳定性有着严苛的要求，故需要对这些各向异性材料的应力应变进行分析。
3.现有的对包括陶瓷基复合材料等的等各向异性材料应力应变分析方法，在建立网格模型时无法兼顾网格质量和单元坐标铺设，从而使得网格质量受到限制，并且现有技术中采用的离散方法在网格模型中进行单元坐标铺设，使得由于网格离散，面和线不易选择从而在进行复杂的网格单元铺层设计时难以确定材料方向。上述因素导致对陶瓷基复合材料的应力应变分析不够准确和精确，难以充分保证陶瓷复合材料部件等各向异性材料的性能和稳定性，无法满足本领域对各向异性材料的应力应变分析需求。
4.因此，需要一种能够更好地对各向异性材料进行应力应变分析的方法，从而提高各向异性材料部件的性能和稳定性。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的问题和缺陷，本发明提出了一种各向异性材料的应力应变分析方法，该方法采用孤立网格坐标映射方法建立模型，可以实现具有复杂铺层设计部件的单元坐标铺设，进而对各向异性材料进行应力应变分析。
6.根据本发明的一个实施方式提供了一种各向异性材料的应力应变分析方法，该方法包括以下步骤：s1建立各向异性材料的几何模型，并将该几何模型进行网格划分，得到孤立网格模型；s2对于所述孤立网格模型中的每个网格单元，均进行处理以获得每个网格单元的方向向量；s3使用步骤s2获得的孤立网格模型的每个网格单元的方向向量来创建离散域；s4利用离散域为所述孤立网格模型的每个网格单元进行材料坐标铺设。
7.可选地，根据本发明的另一个实施方式中，所述步骤s2进一步包括以下步骤：s2-1获取所述孤立网格模型中的每个网格单元的中心点的坐标；s2-2获取所述孤立网格模型中的每个网格单元中心点在几何线上投影点处的切向量v1和在几何面上投影点处的法向量v3；s2-3保持所述网格单元的v1不变，修正v3，使得v1垂直于v3；s2-4在v1和v3的基础上，通过右手定则获得v2，从而得到网格单元的三个方向向量。
8.可选地，根据本发明的另一个实施方式中，所述步骤s2-1包括：以网格单元所有节点坐标的平均值作为网格单元中心点坐标。
9.可选地，根据本发明的另一个实施方式中，所述步骤s2中使用abaqus对于所述孤立网格模型中的网格单元进行处理获得每个网格单元的方向向量。
10.可选地，根据本发明的另一个实施方式中，所述步骤s2-2包括:在abaqus中使用getcurvature函数获得网格单元的中心点在几何线上投影点处的切向量v1，使用getnormal函数获得网格单元的中心点在几何面上投影点处的法向量v3。
11.可选地，根据本发明的另一个实施方式中，所述步骤s2-3包括：取坐标变化量最小的修正向量作为最终法向轴方向。
12.可选地，根据本发明的另一个实施方式，提供了一种各向异性材料的应力应变分析方法，其特征在于包括以下步骤：建立各向异性材料的几何模型，并将该几何模型进行网格划分得到孤立网格模型；对于所述孤立网格模型中的每个网格单元，进行处理获取每个网格单元的中心点c的坐标；获取所述孤立网格模型中的每个网格单元中心点c在几何线上投影点处的切向量v1和在几何面上投影点处的法向量v3；保持所述网格单元中心点c在几何线上投影点处的切向量的v1不变，修正网格单元中心点c在几何面上投影点处的法向量v3，使得v1垂直于v3；在v1和v3的基础上，通过右手定则获得单位向量v2，从而得到网格单元的三个方向向量；使用获得的孤立网格模型的每个网格单元的方向向量来创建离散域；利用离散域为所述孤立网格模型的每个网格单元进行材料坐标铺设。
13.可选地，根据本发明的另一个实施方式，所述获取每个网格单元的中心点c的坐标的步骤包括以网格单元所有节点坐标的平均值作为网格单元的中心点的坐标。
14.可选地，根据本发明的另一个实施方式，修正网格单元中心点c在几何面上投影点处的法向量v3的步骤包括取坐标变化量最小的修正向量作为最终法向轴方向。
15.根据本发明的另一个实施方式提供了一种各向异性材料的应力应变分析方法，该方法包括以下步骤：
16.s1建立各向异性材料的几何模型，并将该几何模型进行网格划分，得到孤立网格模型；
17.s2将孤立网格模型导入abaqus中；
18.s3将各向异性材料的几何模型导入abaqus中，并与孤立网格模型置于同一个模型(model)中；
19.s4对于孤立网格中的每个网格单元，使用abaqus对于所述孤立网格模型中的网格单元进行以下处理获得每个网格单元的方向向量,：
20.s4-1获取网格单元中心点坐标；
21.s4-2获取网格单元中心点在几何线上投影点处的切向量v1和在几何面上投影点处的法向量v3，其中如图2所示,c点为某一单元的中心点，e点为c点在曲线l(x,y,z)上的投影点，vt为曲线l(x,y,z)在e点处的切向的方向向量，将该切向向量作为材料属性的1方向(如图3所示)，q点为c点在曲面s(x,y,z)上的投影点，灰色平面为曲面s(x,y,z)在q点处的切平面，vn为曲面s(x,y,z)在q点处的法向的方向向量，将该法向向量作为材料属性的3方向(如图4所示)。
22.s4-3v1不变，修正v3，使得v1垂直于v3；
23.s4-4在v1和v3的基础上，通过右手定则获得v2，从而得到网格单元的三个方向向量，v1，v2,v3为网格单元的材料坐标系；
24.s5以步骤s4获得的每个网格单元的方向向量创建离散域；
25.s6利用离散域为每个网格单元进行材料坐标铺设。
26.可选地，在上述步骤s1中，所述各向异性材料的几何模型通过cae应用系统hypermesh进行网格划分。
27.可选的，所述s4-1中以网格单元所有节点坐标的平均值作为网格单元中心点坐标。
28.可选的，所述s4-2中在abaqus中，使用getcurvature函数获得切向量v1，使用getnormal函数获得法向量v3。
29.可选的，所述s4-3中取坐标变化量最小的修正向量作为最终法向轴方向。
30.与现有技术相比，根据本发明的实施方式所提供的各向异性材料的应力应变分析方法至少具有以下有益效果和优点：提高了单元坐标铺设效率；以几何为工具，对于具有复杂铺层设计的部件实现单元坐标铺设；适用于孤立网格模型，提高了模型的网格质量，提高了强度计算精度；确定材料方向，保证了材料方向的一致性和准确性；提高了对陶瓷基复合材料等各向异性材料的应力应变分析准确度和精确度，充分保证各向异性材料部件的性能和稳定性。
附图说明
31.通过参考附图可更好地理解本发明。图中的构件不应视作按比例绘制，重点应放在示出本发明的原理上。
32.图1为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的流程示意图。
33.图2为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法中确定孤立网格单元材料的坐标骤的示意图。
34.图3为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法中，确定网格单元中心点c关于曲线l的切向量的示意图。
35.图4为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法中，确定网格单元中心点c关于曲面s的法向量的示意图。
36.图5为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中使用几何模型确定孤立网格材料坐标的示意图。
37.图6为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中确定材料主方向的示意图。
38.图7为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中确定材料法向的示意图。
39.图8为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中施加相应的边界条件和载荷的示意图。
40.图9为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中得到的各向异性材料的应力应变分布的示意图。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实
施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
42.以下参考附图，对根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法进行详细说明。图1为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的流程示意图。参考图1，一种各向异性材料的应力应变分析方法，其特征在于包括以下步骤：建立各向异性材料的几何模型，并将该几何模型进行网格划分得到孤立网格模型；对于所述孤立网格模型中的每个网格单元，进行处理获取每个网格单元的中心点c的坐标；获取所述孤立网格模型中的每个网格单元中心点c在几何线上投影点处的切向量v1和在几何面上投影点处的法向量v3；保持所述网格单元中心点c在几何线上投影点处的切向量的v1不变，修正网格单元中心点c在几何面上投影点处的法向量v3，使得v1垂直于v3；在v1和v3的基础上，通过右手定则获得v2，从而得到网格单元的三个方向向量；使用获得的孤立网格模型的每个网格单元的方向向量来创建离散域；利用离散域为所述孤立网格模型的每个网格单元进行材料坐标铺设。
43.以下对根据本发明的另一个实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法进行详细说明。图1为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的流程示意图。图2为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法中确定孤立网格单元材料的坐标骤的示意图。图3为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法中，确定网格单元中心点c关于曲线l的切向量的示意图。图4为根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法中，确定网格单元中心点c关于曲面s的法向量的示意图。
44.参考图1-4，根据本发明的一个实施方式提供了一种各向异性材料的应力应变分析方法，包括以下步骤：s1建立各向异性材料的几何模型，并将该几何模型进行网格划分，得到孤立网格模型；s2对于所述孤立网格模型中的每个网格单元，均进行处理以获得每个网格单元的方向向量；s3以步骤s2获得的孤立网格模型的每个网格单元的方向向量创建离散域；s4利用离散域为所述孤立网格模型的每个网格单元进行材料坐标铺设。可选地，在上述步骤s1中，建立各向异性材料的几何模型可通过任意建模软件建立的3d模型，例如ug、solidwork等进行。
45.可选地，在上述步骤s1中，所述各向异性材料的几何模型可通过cae应用系统，例如hypermesh，进行网格划分。其中，hypermesh是一种cae应用系统。
46.还可选的，在上述步骤s2中，可使用基于有限元方法的工程模拟系统，例如abaqus，来获得每个网格单元的方向向量。
47.根据本发明的另一个实施方式，所述步骤s2进一步包括以下步骤：s2-1获取所述孤立网格模型中的每个网格单元的中心点的坐标；s2-2获取所述孤立网格模型中的每个网格单元中心点在几何线上投影点处的切向量v1和在几何面上投影点处的法向量v3；s2-3修正使得v3，使v1垂直于v3；s2-4在v1和v3的基础上，通过右手定则获得单位向量v2，从而得到网格单元的三个方向向量。其中，v1，v2,v3为网格单元的材料坐标系。具体地，在使用abaqus来获得每个网格单元的方向向量时，可首先将得到的孤立网格模型导入abaqus中，将各向异性材料的几何模型导入abaqus中，并与孤立网格模型置于同一个model(模型)中，
然后进行处理获得每个网格单元的方向向量。此处所提到的abaqus是一种基于有限元方法的工程模拟系统。具体的示意性示例如图2所示,c点为某一单元的中心点。如图3所示，e点为c点在曲线l(x,y,z)上的投影点，vt为曲线l(x,y,z)在e点处的切向的方向向量，将该切向向量作为材料属性的1方向。如图4所示，q点为c点在曲面s(x,y,z)上的投影点，灰色平面为曲面s(x,y,z)在q点处的切平面vn为曲面s(x,y,z)在q点处的法向的方向向量，将该法向向量作为材料属性的3方向。其中，在该示例中，该vt相当于前文所述的v1，vn相当于前文所述的v3。可选地，上述获得每个网格单元的方向向量步骤可在基于有限元方法的工程模拟系统，例如abaqus，中进行。
48.在可选的实施方式中，所述步骤s2-1中获取所述孤立网格模型中的每个网格单元的中心点c的坐标，可通过以网格单元所有节点坐标的平均值作为网格单元中心点坐标来进行。
49.可选地，在步骤s2-2中，可在abaqus中使用getcurvature函数获得网格单元的中心点在几何线上投影点处的切向量v1，使用getnormal函数获得网格单元的中心点在几何面上投影点处的法向量v3。
50.可选地，在所述步骤s2-3中，修正网格单元的中心点在几何面上投影点处的法向量v3，可通过取坐标变化量最小的修正向量作为最终法向轴方向来进行。即，在此处对v3进行了修正，使其与v1严格垂直，即修正后的方向为最终法向轴方向。通过该步骤可有利地提高分析结果的准确度和精确度。可选地，上述步骤s2-1，s2-2,s2-3可在基于有限元方法的工程模拟系统，例如abaqus，中进行。
51.通过根据本发明的实施方式所提供的各向异性材料的应力应变分析方法的上述方式和步骤，解决了各向异性材料的面和线不易选择的问题，并且在进行复杂的网格单元铺层设计时更加精确地确定材料方向。
52.可选地，所述s3以步骤s2获得的孤立网格模型的每个网格单元的方向向量创建离散域，可通过将每个网格单元的材料坐标系v1、v2写入离散域来实现。可选地，该可在基于有限元方法的工程模拟系统，例如abaqus，中进行。
53.还可选地，在使用abaqus进行数值分析时，通过读取inp文件中节点、网格、材料等信息，进行数值求解。同样的，当孤立网格的单元坐标按照一定的格式，写入inp文件后，就可以实现单元坐标铺设。在abaqus中，建立离散域，离散域中每个单元编号对应6个可供输入的值。由于在笛卡尔坐标系，每个单元只需要确定两个方向即可以确定单元材料坐标，每个方向由3个坐标确定，这样每个单元需要6个值即可确定单元材料坐标。同样的，这符合inp文件中单元坐标的编写规则。所以，可以通过离散域的方式将单元坐标写入inp文件中。
54.以下对应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例进行详细说明，以便于更好地理解本发明。图5为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中使用几何图形确定孤立网格材料坐标的示意图。图6为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中确定材料主方向的示意图。图7为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中确定材料法向的示意图。图8为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性材料的应力应变分析方法的示例性实施例中施加相应的边界条件和载荷的示意图。图9为应用根据本发明的实施方式提供的各向异性
材料的应力应变分析方法的示例性实施例中得到的各向异性材料的应力应变分布的示意图。
55.实施例1
56.在该示例性实施例中，使用根据本发明的实施方式所提供的各向异性材料的应力应变分析方法对一陶瓷基复合材料的部件进行应力应变分析。首先建立陶瓷基复合材料的部件的几何模型，并将该几何模型导入hypermesh中进行网格划分，获得孤立网格模型。
57.如图5所示，将孤立网格模型导入到abaqus中。接着，将几何模型导入到abaqus中，与孤立网格模型置于同一个模型(model)中。
58.接下来，为孤立网格模型添加材料参数和/或材料方向。该步骤更具体地包括，获取所述孤立网格模型中的每个网格单元的中心点的坐标；如图6、图7所示，所示选择线作为材料主方向，选择面作为材料法向，以获取所述孤立网格模型中的每个网格单元中心点在几何线上投影点处的切向量和在几何面上投影点处的法向量；保持所述网格单元的v1不变，修正v3，使得v1垂直于v3；在v1和v3的基础上，通过右手定则获得v2，从而得到网格单元的三个方向向量。可选的，在该步骤可使用abaqus的插件来添加材料方向。
59.如图8所示，根据所获得的对陶瓷基材料部件的分析结果向该陶瓷基材料部件施加相应的边界条件和载荷。
60.如图9所示，提交分析结果，得到对陶瓷基材料部件施加相应的边界条件和载荷之后的所述陶瓷基材料部件的应力应变分布图。该应力应变分布图根据需要可用于后续的进一步判断和分析。
61.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
62.应理解，前述仅说明了一些实施方式，可进行改变、修改、增加和/或变化而不偏离所公开的实施方式的范围和实质，该实施方式是示意性的而不是限制性的。此外，所说明的实施方式涉及当前考虑为最实用和最优选的实施方式，其应理解为实施方式不应限于所公开的实施方式，相反地，旨在覆盖包括在该实施方式的实质和范围内的不同的修改和等同设置。此外，上述说明的多种实施方式可与其它实施方式共同应用，如，一个实施方式的方面可与另一个实施方式的方面结合而实现再另一个实施方式。另外，任何给定组件的各独立特征或构件可构成另外的实施方式。
63.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。