基于典型焊接构件模型的有限元六面体网格自动划分算法研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jueduizone
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随着计算机技术及数值分析技术的发展,有限元等数值分析方法已逐渐成为解决工程实际问题的重要手段之一。数值计算分析主要步骤包括几何建模、网格离散、计算求解以及后处理分析等过程,其中首要的任务就是模型建立和网格离散。模型网格离散的质量直接影响到最终计算分析的收敛性和结果精度,而这一切都依赖于有限元网格生成技术。由于焊接热过程的高度非线性,焊接有限元模型对网格离散密度与网格质量具有更高的要求。本文针对典型焊接构件模型的结构形式,对过渡型六面体网格自动划分算法进行了研究,提出了一种基于二维四边形网格扫掠的六面体网格单元自动生成算法,并且根据该算法开发了典型焊接构件模型的六面体网格自动划分软件平台。对六面体单元和四面体单元在弹塑性有限元分析中的应用进行了优劣对比,得出在同等阶次下,六面体网格单元在计算精度、抗畸变能力、计算收敛性、划分数量以及可重划分次数等方面具有明显的优势,但其网格划分算法较为复杂,自动化实现程度较低。由于焊接热过程具有高度的非线性,本文选择六面体单元作为焊接结构模型离散的单元类型,对过渡型六面体网格自动划分算法进行了重点研究。首先对焊接构件模型进行几何拓扑自动分析,确定垂直于焊缝方向的二维扫掠截面,并对其采用基于几何分解的前沿推进算法实现对二维区域的过渡型四边形网格自动划分;然后对得到的四边形网格划分在焊缝方向上进行三维扫掠生成六面体网格,最终实现焊接构件模型的六面体网格自动划分。本文分别对原始的前沿推进算法和扫掠法进行了优化改进,提出了包括边界闭合优化、边界缝合优化、边界单元密度优化、四边形单元质量优化以及扫掠法六面体网格单元缺失优化等一系列优化改进算法,提高了原算法的几何适应性以及网格生成的质量与效率。进一步对所提出的六面体网格自动生成算法进行了程序设计。主要对模型数据结构、模型三维可视化、网格文件格式以及软件平台的用户体验等方面进行了重点研究,设计开发了针对典型焊接构件的六面体网格自动划分软件平台WeldMesh Helper。WeldMesh Helper能够实现包括焊接构件几何模型参数化建立、不同类型的六面体网格自动划分以及网格文件的标准化格式输出等功能。软件操作简单、专业性较强,具有一定的实用性。
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