一種ansys中等厚度二次曲面光學(xué)頭罩有限元模型的建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研宄領(lǐng)域，涉及一種ANSYS中等厚度二次曲面光學(xué)頭罩 有限元模型的建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研宄發(fā)現(xiàn)飛行器二次曲面光學(xué)頭罩在復(fù)雜氣動(dòng)熱環(huán)境 下具有比球形頭罩更小的阻力和更好的成像質(zhì)量，因而深入研宄其氣動(dòng)性能對(duì)于指導(dǎo)飛行 器頭罩的外形設(shè)計(jì)具有重要的意義，同時(shí)也為氣動(dòng)熱環(huán)境下高速飛行器外流場(chǎng)和頭罩光傳 輸仿真分析和頭罩熱輻射計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。
[0003] 氣動(dòng)熱環(huán)境下二次曲面光學(xué)頭罩由于熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力等效應(yīng)導(dǎo)致頭罩材料的外 形和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響來自目標(biāo)的紅外輻射光線傳輸，使得高速飛行器成像探 測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)圖像產(chǎn)生像模糊、抖動(dòng)、偏移和能量衰減，最終將嚴(yán)重影響高速飛行器的探測(cè) 性能。飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)其頭罩與來流之間發(fā)生劇烈的相互作用，頭罩溫度升 高，使光學(xué)成像探測(cè)系統(tǒng)處于復(fù)雜的氣動(dòng)熱環(huán)境中，這種效應(yīng)稱為飛行器光學(xué)頭罩氣動(dòng)熱 效應(yīng)。要想分析二次曲面光學(xué)頭罩氣動(dòng)熱效應(yīng)，我們需要先建立其有限元分析模型，然后利 用有限元分析軟件ANSYS對(duì)頭罩進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，對(duì)應(yīng)分析其氣動(dòng)熱效應(yīng)。
[0004] 在ANSYS前處理器中的模型建立模塊，可以直接通過用戶界面建立的模型種類較 少。常見的可以直接利用ANSYS中現(xiàn)有的建模工具進(jìn)行建模的只有像等厚度球形頭罩，長(zhǎng) 方體平板側(cè)窗等較普遍、較規(guī)則的形狀，對(duì)于一些較復(fù)雜的面形以及多形狀拼接的模型，在 ANSYS中直接建立模型比較困難。但是隨著科技的發(fā)展，飛行器的頭罩種類已經(jīng)從球形向 上述的二次曲面（也稱共形）、多形狀拼接型（例如球錐型），以及自由曲面等方向發(fā)展。 要想對(duì)飛行器高速飛行狀態(tài)下的外流場(chǎng)以及其自身進(jìn)行分析，有限元分析模型的正確建立 是其前提條件。但是在不借助其他如SolidWorks、Proe、UG等相關(guān)建模軟件的幫助下，在 ANSYS中直接建立飛行器等厚度二次曲面頭罩有限元模型、多形狀拼接頭罩有限元模型比 較困難。本發(fā)明提出了一種在ANSYS中采用自底向上建立等厚度二次曲面頭罩有限元模型 的方法，其中所建立的二次曲面面形包括橢球面形與拋物面形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型難的問題，使得以后對(duì) 于二次曲面光學(xué)頭罩的熱結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算從實(shí)體模型到有限元模型的建立、熱力學(xué)邊界條件 的加載以及到整體熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算的實(shí)現(xiàn)都可以在ANSYS中進(jìn)行而不必借助其他實(shí)體 模型建立軟件，本發(fā)明提供了一種ANSYS中等厚度二次曲面光學(xué)頭罩有限元模型的建立方 法。在本發(fā)明中，采用ANSYS-APDL語(yǔ)言開發(fā)了一種自底向上建立等厚度二次曲面光學(xué)頭罩 有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面光學(xué)頭罩有限元模型包括拋物面有限元模型與 橢球面有限元模型。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種ANSYS中等厚度二次曲面頭罩有限元模型的建立方法，包括以下步驟：
[0008] -、確定二次曲線方程，并將其轉(zhuǎn)化為函數(shù)形式
[0009] 根據(jù)要建立的二次曲面光學(xué)頭罩有限元模型的基本參數(shù)，對(duì)其立體模型在XY平 面進(jìn)行投影，確定該平面上內(nèi)外側(cè)二次曲線方程，并將其轉(zhuǎn)換為函數(shù)形式。
[0010] 在本發(fā)明中，所建立的二次曲面光學(xué)頭罩有限元模型包括橢球形與拋物面形兩種 形狀，對(duì)應(yīng)的二次曲線方程包括橢圓方程與拋物線方程。建立平面直角坐標(biāo)系，得到要建立 的橢球在XY平面的截面圖，如圖1所示，依據(jù)下邊橢圓方程：
[0012] 式中，a--橢圓半長(zhǎng)軸，b--橢圓半短軸。
[0013] 分別將內(nèi)外側(cè)特殊點(diǎn)數(shù)據(jù)帶入上述參數(shù)方程，即得到內(nèi)外側(cè)兩條部分橢圓曲線的 曲線方程。
[0014] 為了下一步建立一系列關(guān)鍵點(diǎn)，需要將得到的橢圓參數(shù)方程轉(zhuǎn)化為如下的函數(shù)形 式：
[0016] 同理依據(jù)拋物線參數(shù)方程：
[0017] y=ax2+b
[0018] 式中：a，b均為系數(shù)。
[0019] 建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示，依據(jù)所給拋物線基本技術(shù)參數(shù)，取特殊點(diǎn)數(shù)據(jù)帶入 拋物線方程中，因而可以確定內(nèi)外側(cè)拋物線的曲線方程。
[0020] 到此，按照上述方法，已經(jīng)成功按照給定的二次曲面頭罩模型尺寸，建立了其在XY 方向上對(duì)應(yīng)的曲線方程，并轉(zhuǎn)化為函數(shù)表達(dá)形式。
[0021] 二、依據(jù)要建立模型的開口方向選定自變量并確定自變量的范圍
[0022] 本發(fā)明所要建立的橢球面光學(xué)頭罩與拋物面光學(xué)頭罩開口均沿Y軸方向，根據(jù)由 步驟一所確定的橢圓與拋物線方程，在本發(fā)明中選擇x為自變量，y為函數(shù)。根據(jù)頭罩頂點(diǎn) 到底端面的距離，按照函數(shù)關(guān)系，我們可確定自變量的取值范圍。
[0023] 三、基于ANSYS-APDL語(yǔ)言編寫循環(huán)命令建立疏密分布的關(guān)鍵點(diǎn)
[0024] 為了使建立曲線的方法具有一般性，本發(fā)明采用描點(diǎn)連線法。依據(jù)步驟一、步驟二 所述的內(nèi)容，本發(fā)明在ANSYS中利用APDL語(yǔ)言編寫循環(huán)命令建立疏密分布的關(guān)鍵點(diǎn)。為了 保證獲得的樣條曲線光滑性好，應(yīng)該取盡可能多的點(diǎn)，根據(jù)步驟二所確定的自變量范圍，在 本發(fā)明中沿x軸方向取點(diǎn)的間隔為0. 001。在本發(fā)明中采用APDL語(yǔ)言編寫循環(huán)命令，依靠 循環(huán)采用K命令建立一系列在X軸方向上間距為0. 001m的關(guān)鍵點(diǎn)。在本發(fā)明中所得到的 橢圓、拋物線內(nèi)外側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)分布如圖3-6所不。
[0025] 四、基于ANSYS-APDL語(yǔ)言使用B樣條線段命令BSPLINE形成初步樣條曲線
[0026] 在本發(fā)明中，對(duì)于上述所建立的關(guān)鍵點(diǎn)，依據(jù)描點(diǎn)連線法，利用ANSYS-APDL中 BSPLINE、*DO與*ENDDO命令逐個(gè)連接關(guān)鍵點(diǎn)形成B樣條曲線。在本發(fā)明中，利用上述命令 得到的第一象限中內(nèi)外側(cè)橢圓與拋物線的樣條曲線如圖7-8所示。
[0027] 五、基于ANSYS-APDL語(yǔ)言對(duì)步驟四中的初步樣條線進(jìn)行線段的融合
[0028] 在步驟四中，通過使用BSPLIN命令，可以分別得到步驟一所建立的橢圓與拋物線 的B樣條曲線，即由多段小線段所構(gòu)成的曲線。為了后續(xù)能更簡(jiǎn)單快捷地利用線段形成平 面，我們需要對(duì)橢圓以及拋物線內(nèi)外兩側(cè)的樣條曲線進(jìn)行線段的融合。由于在APDL的布爾 運(yùn)算操作中，沒有實(shí)現(xiàn)線段相加的命令，本發(fā)明中采用LCOMB實(shí)現(xiàn)多段線段的連接融合。通 過ANSYS-APDL中LCOMB、*DO與*ENDDO的配合使用，分別實(shí)現(xiàn)將兩種曲線內(nèi)側(cè)樣條線段的 連接融合，即之前的多段小線段經(jīng)過該步驟后形成一條只有一個(gè)線段編號(hào)完整的曲線，兩 種曲線線段連接融合后的示意圖分別如圖9-10所示。
[0029] 六、基于ANSYS-APDL語(yǔ)言連接步驟五中融合后的線段形成平面
[0030] 在本發(fā)明中采用線段連接命令L分別對(duì)兩種曲線內(nèi)外兩側(cè)曲線進(jìn)行連接，到此我 們已經(jīng)得到封閉的平面模型。接下來分別對(duì)兩種模型中的線段采用APDL中的線段編號(hào)壓 縮命令進(jìn)行壓縮，然后采用APDL中的A命令分別由上述四條首尾相連的線段形成對(duì)應(yīng)的平 面，所形成的兩個(gè)平面模型如圖11-12所示。
[0031] 七、基于ANSYS-APDL語(yǔ)言對(duì)步驟六中所形成的面進(jìn)行網(wǎng)格劃分
[0032] 在本發(fā)明中，通過編寫APDL命令對(duì)上述建立的平面模型的四條邊界線進(jìn)行網(wǎng)格 大小以及網(wǎng)格劃分類型的控制，然后采用APDL中的AMESH命令劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的兩 個(gè)平面模型分別如圖13-14所示。
[0033] 八、基于ANSYS-APDL語(yǔ)言對(duì)步驟七中形成的有限元模型旋轉(zhuǎn)成體
[0034] 經(jīng)過步驟七得到有平面限元模型后，通過APDL中VROTAT命令控制該模型繞坐標(biāo) 軸或是過兩個(gè)特定關(guān)鍵點(diǎn)的直線旋轉(zhuǎn)一定的度數(shù)，進(jìn)而生成最終的有限元分析模型。具體 旋轉(zhuǎn)的度數(shù)應(yīng)按照實(shí)際模型來確定，在本發(fā)明中要建立的橢球形、拋物面形光學(xué)頭罩有限 元模型是由圖13-14所示的部分平面有限元模型旋轉(zhuǎn)360度形成的。如果僅分析其中的一 部分，可以選擇旋轉(zhuǎn)0°到360°的任意角度來建立模型。在本發(fā)明中，最終建立的橢球面 形光學(xué)頭罩與拋物面形光學(xué)頭罩分別如圖15-16所示。
[0035] 本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：
[0036] (1)本發(fā)明解決了在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型難的問題，使 得以后對(duì)于二次曲面光學(xué)頭罩的熱結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算從實(shí)體模型到有限元模型的建立、熱力學(xué) 邊界條件的加載以及到整體熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算的實(shí)現(xiàn)都可以在ANSYS中進(jìn)行而不必借助其 他實(shí)體模型建立軟件。
[0037] (2)本發(fā)明中整體的建模過程采用ANSYS批處理（Batch)方式，使得所發(fā)明的方法 對(duì)于二次曲面光學(xué)頭罩的建立更具靈活性與普遍性，使用時(shí)可以依據(jù)實(shí)際情況僅修改APDL 語(yǔ)言的部分?jǐn)?shù)據(jù)使得該發(fā)明方法適用于新的工況。
[0038] (3)本發(fā)明所提出的方法相比較直接采用用戶界面進(jìn)行分析的過程，避免了同一 類問題多次進(jìn)行加載費(fèi)事、費(fèi)力、易錯(cuò)等缺點(diǎn)。
[0039] (4)本發(fā)明所提供的方法不僅針對(duì)二次曲面光學(xué)頭罩有限元模型的建立過程，也 可以用于其他復(fù)雜回轉(zhuǎn)對(duì)稱模型的建立。對(duì)于其他復(fù)雜的回轉(zhuǎn)對(duì)稱面形，仍然可以采用本 發(fā)明中三維模型投影到平面，進(jìn)而建立曲線方程，描點(diǎn)連線，利用封閉曲線形成面進(jìn)而再旋 轉(zhuǎn)到體的方法。
【附圖說明】
[0040]圖1為平面直角坐標(biāo)系中要建立的橢球模型在XY平面的部分橢圓曲線示意圖； [0041]圖2為平面直角坐標(biāo)系中要建立的拋物面模型在XY平面的部分拋物線示意圖；
[0042] 圖3為用APDL命令建立的外側(cè)橢圓曲線上關(guān)鍵點(diǎn)的疏密分布圖；
[0043] 圖4為用APDL命令建立的內(nèi)外側(cè)橢圓曲線上關(guān)鍵點(diǎn)的疏密分布圖；
[0044] 圖5為用APDL命令建立的外側(cè)拋物線上關(guān)鍵點(diǎn)的疏密分布圖；
[0045] 圖6為用APDL命令建立的內(nèi)外側(cè)拋物線上關(guān)鍵點(diǎn)的疏密分布圖；
[0046] 圖7為第一象限中內(nèi)外側(cè)橢圓樣條曲線示意圖；
[0047] 圖8為第一象限中內(nèi)外側(cè)拋物線樣條曲線示意圖；
[0048] 圖9為用APDL命令連接融合后的內(nèi)側(cè)橢圓樣條曲線示意圖；
[0049] 圖10為用APDL命令連接融合后的內(nèi)側(cè)拋物線樣條曲線示意圖；
[0050]圖11為利用內(nèi)外側(cè)橢圓曲線以及連接兩條曲線的線段組成的平面模型；
[0051]圖12為利用內(nèi)外側(cè)拋物線以及連接兩條曲線的線段組成的平面模型；
[0052]圖13為對(duì)由橢圓曲線構(gòu)成的平面模型劃分網(wǎng)格后的有限元模型示意圖；
[0053]圖14為對(duì)由拋物線構(gòu)成的平面模型劃分網(wǎng)格后的有限元模型示意圖；
[0054] 圖15為按照要求指標(biāo)所建立的橢球形光學(xué)頭罩有限元模型；
[0055] 圖16為按照要求指標(biāo)所建立的拋物線光學(xué)頭罩有限元模