本發(fā)明屬于運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的幾何建模相關(guān)領(lǐng)域，涉及一種網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的通用參數(shù)化三維幾何建模方法。

背景技術(shù)：

1、網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)主要由蒙皮和筋條兩種結(jié)構(gòu)組成壁板，再通過焊接形成焊縫連接壁板組成筒段，它是運(yùn)載火箭的常用結(jié)構(gòu)形式。目前大部分在役和在研的運(yùn)載火箭的級(jí)間段、燃料貯箱和整流罩等關(guān)鍵承力部段均采用該結(jié)構(gòu)形式，約占箭體結(jié)構(gòu)艙段的80％以上。網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)會(huì)承受內(nèi)壓、彎矩和軸向力的作用，其中主要的服役工況是軸壓，其主要的失穩(wěn)形式是屈曲失穩(wěn)。為了高效分析其筋條或蒙皮的局部失穩(wěn)、局部材料的塑性失穩(wěn)和加筋結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)等典型的失效形式，以及優(yōu)化網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其承載性能，通常需要建立高保真的有限元模型以展開分析。而作為有限元分析的基礎(chǔ)，有必要提出一種通用的、快速的、高精度的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維幾何建模方法，以提高此類結(jié)構(gòu)的建模效率。

2、文獻(xiàn)“網(wǎng)格整體加筋貯箱圓筒殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[j].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2010.”中以hypermesh為參數(shù)化建模開發(fā)平臺(tái)，提出了一種網(wǎng)格整體加筋貯箱圓筒殼結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模方法。但是該方法沒有考慮實(shí)際網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)中的焊縫、加筋區(qū)域的加強(qiáng)邊框等結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，且只能考慮網(wǎng)格數(shù)量為整數(shù)的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)，與實(shí)際的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)存在較大差異，因此有必要提出一種更加貼合實(shí)際的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的通用參數(shù)化三維幾何建模方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服目前網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)建模分析時(shí)，創(chuàng)建的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在較大差異的不足，本發(fā)明提出一種含材料特性的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)通用參數(shù)化三維幾何建模方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、含材料特性的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)通用參數(shù)化三維幾何建模方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

4、步驟1：創(chuàng)建用于描述網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)中各部件相對(duì)位置的參考坐標(biāo)系o-xyz；

5、步驟2：確定網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維幾何建模所需的基礎(chǔ)參數(shù)；

6、所述基礎(chǔ)參數(shù)包括整體結(jié)構(gòu)參數(shù)和局部幾何參數(shù)；整體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括單個(gè)筒段長(zhǎng)度l0、筒段直徑d0、筒段數(shù)目ss、單個(gè)筒段中拼接壁板數(shù)量nw和焊縫類型；局部幾何參數(shù)包括筋條高度jd、筋條厚度jt、斜筋間距bx、斜筋與縱筋?yuàn)A角θs、焊縫寬度ww、焊縫厚度wt和蒙皮厚度st；

7、步驟3：基于所述基礎(chǔ)參數(shù)求解網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維幾何建模所需的關(guān)鍵參數(shù)；

8、所述關(guān)鍵參數(shù)包括縱筋間距bz、斜筋環(huán)向陣列的角度間隔θa、縱筋環(huán)向陣列的角度間隔θb、構(gòu)造斜筋的圓柱螺旋線導(dǎo)程sy、單個(gè)焊縫寬度在筒段周向?qū)?yīng)的角度θy、單個(gè)網(wǎng)格加筋區(qū)域在筒段周向?qū)?yīng)的角度θz、環(huán)向偏移角度θo和軸向偏移網(wǎng)格尺寸ho；

9、步驟4：基于所述基礎(chǔ)參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)建立筋條和蒙皮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部件；

10、步驟5：基于關(guān)鍵參數(shù)和所述筋條和蒙皮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部件，依據(jù)各基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部件在網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)中的位置，將各基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部件組合，建立出網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的三維幾何模型；

11、步驟6：為步驟5建立好的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的三維幾何模型的各部件分別賦予材料屬性。

12、進(jìn)一步地，步驟1中所述的參考坐標(biāo)系o-xyz，其坐標(biāo)原點(diǎn)o與網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)三維模型下端面的圓心相重合，xoy面與網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)三維模型的下端面重合，z軸方向與網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)三維模型的軸線重合且正方向豎直向上，x軸方向指向網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)三維模型底層第一塊壁板的邊界，y軸由右手定則確定。

13、進(jìn)一步地，步驟3中各關(guān)鍵參數(shù)利用以下公式計(jì)算：

14、

15、當(dāng)參數(shù)ra≤0.8×θb時(shí)：

16、

17、當(dāng)參數(shù)ra>0.8×θb時(shí)：

18、

19、其中，ra＝θz％θb，％為取余運(yùn)算符；表示向上取整符號(hào)；

20、當(dāng)參數(shù)rh≤0.4×hc時(shí)：

21、

22、當(dāng)參數(shù)rh>0.4×hc時(shí)

23、

24、其中，rh＝(l0-ww)％(0.5×hc)，％為取余運(yùn)算符；hc表示同一根縱筋上相鄰斜筋交叉點(diǎn)的軸向距離，

25、進(jìn)一步地，步驟4具體為：

26、步驟4.1：建立斜筋基礎(chǔ)部件；

27、在參考坐標(biāo)系o-xyz中，以d0為直徑，sy為導(dǎo)程，(0,d0/2,0)為起點(diǎn)創(chuàng)建右旋螺旋線，然后在z向截取0到l0-ww+z1的部分；基于截取的部分，沿螺旋線的主法線方向拉伸jd長(zhǎng)度，得到一個(gè)右螺旋曲面作為正向斜筋的基礎(chǔ)部件；改變螺旋線旋向，以相同的方法創(chuàng)建左螺旋曲面作為反向斜筋的基礎(chǔ)部件；z1為余量；

28、步驟4.2：建立縱筋基礎(chǔ)部件；

29、在參考坐標(biāo)系o-xyz中以(0,d0/2,0)為起點(diǎn)，(0,d0/2-jd,0)為終點(diǎn)創(chuàng)建一條直線段，再沿z軸正向拉伸l0-ww得到一個(gè)平面作為縱筋的基礎(chǔ)部件；

30、步驟4.3：建立蒙皮基礎(chǔ)部件；

31、在參考坐標(biāo)系o-xyz中創(chuàng)建以o為中心、d0為直徑的圓，再沿z軸正向拉伸l0長(zhǎng)度，得到單個(gè)筒段的蒙皮基礎(chǔ)部件；

32、步驟4.1-4.3的順序可任意互換。

33、進(jìn)一步地，步驟5具體為：

34、步驟5.1：創(chuàng)建蒙皮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；

35、基于步驟4.3創(chuàng)建的蒙皮基礎(chǔ)部件，分別將ss個(gè)蒙皮基礎(chǔ)部件軸線對(duì)齊并沿z軸頂端和底端首尾相接，組合成為整體筒段的蒙皮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；

36、步驟5.2：確定整個(gè)網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的壁板位置；

37、根據(jù)筒段數(shù)目ss、單個(gè)筒段中壁板數(shù)目和焊縫類型，確定出整個(gè)網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的壁板位置；

38、步驟5.3：創(chuàng)建焊縫和蒙皮結(jié)構(gòu)；

39、依據(jù)步驟5.2劃分好的壁板位置，任意選取其中一個(gè)壁板，為該壁板創(chuàng)建焊縫和蒙皮結(jié)構(gòu)；

40、步驟5.4：創(chuàng)建邊框筋條；

41、基于步驟5.3創(chuàng)建的焊縫和蒙皮結(jié)構(gòu)，為步驟5.3選取的壁板，在焊縫內(nèi)邊界布置網(wǎng)格加筋區(qū)域的邊框筋條；

42、步驟5.5：建立用于描述單個(gè)壁板中筋條位置的局部坐標(biāo)系o1x1y1z1；

43、步驟5.6：創(chuàng)建縱筋結(jié)構(gòu)；

44、根據(jù)縱筋環(huán)向陣列的角度間隔θb確定出縱筋基礎(chǔ)部件在x1o1y1上投影的相位角θzi分別為θb-θo,2θb-θo,3θb-θo,……,(n-1)·θb-θo,n·θb-θo，n是滿足n·θb-θo＜θz條件下的最大整數(shù)；

45、將步驟4.2建立的壁板的縱筋基礎(chǔ)部件，按照相位角θzi布設(shè)后，對(duì)稱拉伸jt生成所有縱筋；

46、步驟5.7：創(chuàng)建斜筋結(jié)構(gòu)；

47、確定初始正向斜筋下端點(diǎn)位置，其處于步驟5.4布置的網(wǎng)格加筋區(qū)域左邊界和下邊界交點(diǎn)向下偏移ho，向右偏θo的位置；

48、將步驟4.1建立的正向斜筋的基礎(chǔ)部件，以斜筋環(huán)向陣列的角度間隔θa為間距、以與x1o1y1平面的夾角為θs布設(shè)后，對(duì)稱拉伸jt生成所有正向斜筋；

49、將步驟4.1建立的反向斜筋的基礎(chǔ)部件，以斜筋環(huán)向陣列的角度間隔θa為間距、以與x1o1y1平面的夾角為180°-θs布設(shè)后，對(duì)稱拉伸jt生成所有反向斜筋；

50、剪除超出網(wǎng)格加筋區(qū)域外的所有斜筋；

51、步驟5.8：創(chuàng)建網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)；

52、依據(jù)步驟5.2確定出的壁板位置，對(duì)其余每塊壁板均重復(fù)步驟5.3，創(chuàng)建出每塊壁板的焊縫和蒙皮結(jié)構(gòu)，再對(duì)其余每塊壁板均重復(fù)步驟5.4-5.7，構(gòu)造出每塊壁板的邊框筋條結(jié)構(gòu)、縱筋結(jié)構(gòu)和斜筋結(jié)構(gòu)，完成網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的三維幾何模型的創(chuàng)建。

53、進(jìn)一步地，步驟5.3具體為：

54、將壁板邊緣作為焊縫的外邊界，將其向面內(nèi)偏置0.5ww，得到焊縫的內(nèi)邊界；內(nèi)、外邊界之間的區(qū)域?yàn)楹缚p區(qū)域，焊縫包圍的壁板區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格加筋區(qū)域；

55、以網(wǎng)格加筋區(qū)域及焊縫區(qū)域的蒙皮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外表面為基礎(chǔ)，沿內(nèi)法向偏置st生成蒙皮結(jié)構(gòu)；

56、將焊縫區(qū)域內(nèi)以蒙皮內(nèi)外表面分別沿蒙皮中面的內(nèi)、外法向分別拉伸0.5(wt-st)，創(chuàng)建出焊縫結(jié)構(gòu)。

57、進(jìn)一步地，步驟5.5中的局部坐標(biāo)系o1x1y1z1，其坐標(biāo)原點(diǎn)o1在網(wǎng)格加筋區(qū)域下邊界所在弧段的圓心處，z1軸垂直于加筋區(qū)域下邊界所在平面向上，x1軸方向?yàn)樵c(diǎn)o1指向網(wǎng)格加筋區(qū)域下邊界所在弧段的起點(diǎn)，y1軸由右手定則確定。

58、進(jìn)一步地，步驟6中所述的材料屬性包括蒙皮的密度ρ1、彈性模量e1、泊松比ν1、屈服應(yīng)力σs1、極限應(yīng)力σb1和極限應(yīng)變?chǔ)舥1，所有筋條的密度ρ2、彈性模量e2、泊松比ν2、屈服應(yīng)力σs2、極限應(yīng)力σb2和極限應(yīng)變?chǔ)舥2，以及焊縫材料的折減系數(shù)

59、本發(fā)明的有益效果是：

60、1.本發(fā)明首先創(chuàng)建了網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的參考坐標(biāo)系；其次，確定構(gòu)建網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)所需要的基礎(chǔ)參數(shù)并以此求解建立其三維幾何模型所需的關(guān)鍵參數(shù)；再次，基于關(guān)鍵參數(shù)，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等方法創(chuàng)建網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的筋條及蒙皮等基礎(chǔ)部件；然后，依據(jù)空間坐標(biāo)系中各部件在網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)中的位置，組合基礎(chǔ)部件建立網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的三維幾何模型；最后，賦予蒙皮、筋條以及焊縫各自的材料屬性，完成含材料特性的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)三維模型的構(gòu)建。本發(fā)明的方法解決了考慮焊縫、邊框等結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維幾何建模困難的問題，并基于設(shè)定參數(shù)，優(yōu)化了網(wǎng)格數(shù)量非整數(shù)的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的筋條網(wǎng)格整體對(duì)稱性，為各類網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析提供了快速精確的三維幾何模型構(gòu)建方法。

61、2.本發(fā)明可以依據(jù)不同的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行切合工程實(shí)際的快速三維建模，避免了對(duì)不同參數(shù)的網(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行受載分析時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)格加筋筒殼結(jié)構(gòu)三維幾何建模繁瑣復(fù)雜帶來的不便，提高了建模精度和效率。