專利名稱：一種輪胎有限元二維網絡劃分的前處理方法
技術領域：
本發明涉及一種輪胎有限元二維網格劃分的前處理方法，可用于有限元分析的前處理中，用于滿足對于有限元前處理過程中網格的特殊需要。
背景技術：
輪胎是轎車、卡車、飛機等交通工具的不可或缺的部件，這些交通工具的性能與輪胎的特性密切相關。研究輪胎的力學性能、改進輪胎結構設計一直受到輪胎工業和汽車工程界的密切關注。對于大量不同的輪胎設計方案，采用傳統實測的方法對輪胎的力學性能進行研究，不僅會造成大量經濟成本上升，同時還會耗費大量時間和資源。而采用有限元分析的方法對其進行分析，可有效對各種設計方案進行優化，節省大量研發時間，進而選擇其中最好的實施方案，創造更大的經濟效益。在對輪胎進行有限元分析時都需要先對其進行前處理，在整個前處理過程中最重要的一步就是要對其進行網格劃分。由于輪胎結構及材料分布的特殊性，在進行有限元仿真分析過程中，要求輪胎中某些材料分布必須滿足規則且連續的要求，例如輪胎骨架材料的基體材料單元等。但是通常由商業有限元分析軟件生成的單元都是雜亂無章的，在特定位置的單元是混亂無序的、形狀不均勻，無法達到材料單元分布的要求，進而無法對輪胎進行有效的有限元分析，嚴重影響分析結果的準確性和有效性。雖然在這些商業軟件中，都提供了單元的重新編排功能，但由于發生錯位的單元數量很多，對其中不規則的單元進行再次調整時，會造成巨大工作量堆積和浪費大量的時間，極容易使人產生厭煩情緒，嚴重影響用戶有限元分析的工作效率。同時由于網格劃分質量的好壞直接影響著輪胎有限元分析結果的準確性，因此又不得不花費大量的時間對網格劃分進行優化調整，使這個時間占到了整個前處理時間的80%以上。因此，為了達到適應輪胎中材料分布的特殊要求，成倍縮短輪胎有限元分析前處理網格劃分 的時間，就需要發明一種新的二維網格劃分前處理方法來實現對輪胎的網格進行合理的劃分，并采用編程的方法，自動生成節點及單元，在達到有效分析的目的的前提下，成倍提高工作效率并使分析結果滿足用戶的需要。
發明內容
本發明的目的是提供一種在滿足輪胎有限元分析要求的基礎上，采用計算機輔助設計程序AutoCAD進行的輪胎有限元分析二維網格劃分前處理方法。由本發明最終生成的結果DXF文件中包含了兩條多義線:節點多義線和邊多義線。將得到的DXF文件作為網格劃分的輸入文件，通過計算機編程語言Python實現對輪胎有限元網格的有效且合理的劃分。本發明的原理:任何一個二維三角形或四邊形有限元單元網格可以認為任何一個單元網格都是位于上下兩條折線段之間，單元網格上所有的節點均位于上下兩條折線段之上，這些折線段稱之為橫斷線。因此，用兩條多義線、點多義線和邊多義線，來容納所有節點信息和橫斷線信息。節點多義線包含了所有節點的坐標信息和節點的連接順序，其功能在于確定節點的分布以及節點編號的生成順序；邊多義線中包含了所有橫斷線的起始節點，其功能在于將節點多義線中包含的所有節點信息劃分為多條橫斷線。在確定所有節點的分布之后，可以通過相鄰節點幾何位置間的相互關系進而得到有限元網格。一種輪胎有限元二維網格劃分的前處理方法，包含以下步驟:
第一步，清理輪胎結構圖并繪制完整的輪胎材料分布圖:在計算機輔助繪圖程序AutoCAD中，打開輪胎的原始結構設計及材料分布草圖，清除圖中的文字說明、尺寸標注和其它不涉及結構和材料分布的輔助線，最終得到一個干凈的圖形；在此基礎上，按照對輪胎結構設計中材料分布的要求，在圖中繪制出不同材料分布之間的界限曲線，得到輪胎最終的材料分布圖。第二步，添加輔助線并繪制單元草圖:通過分析輪胎對各種材料對單元的需求情況，在圖中繪制相應的橫向或縱向多義線，同時添加橫向輔助線、縱向輔助線和原有的材料分布界線相互保持垂直關系以便在圖中形成一個個封閉且正規而不是扭曲的四邊形或三角形的單元網格形狀；其多義線的繪制方法為在輪胎內表面以內附近選擇一點作為起點，在保證垂直的基礎上，在相應的外表面之外選擇一點作為終點繪制此輔助多義線；注意在胎肩部位時，此輔助多義線通常為折線；而在鋼絲圈下半部分，由于對鋼絲圈單元的要求，造成之后的輔助多義線通常并不是一條直線，而是需要進行彎轉；完成之后檢查生成的單元是否滿足用戶需求，并進行修改最終得到用戶所需要的單元網格分布草圖；此時在AutoCAD所形成的網格分布的幾何信息就與最終輪胎進行有限元分析時所對應的單元及其節點幾何信息一致。第三步，形成橫斷線并對其進行編號:定義橫斷線是由從輪胎內表面連接到外表面的輔助線與材料分界線和其它輔助線之間的交點依次相連接而成；橫斷線的起點為此輔助線與內表面的交點，終點為此輔助線與外表面的交點；選擇輪胎的一個邊界位置作為橫斷線的起始位置，然后按照一定的方向順序，依次生成所有的橫斷線，同時將得到的橫斷線按生成的先后順序由小及大進行編號。第四步，生成節·點多義線和邊多義線:在AutoCAD中新建一層并在此層中新建一條多義線，按照橫斷線編號由小到大順序，用此多義線將當前橫斷線的節點按照由起點到終點的先后順序連接在一起，再將此橫斷線的終點與下一橫斷線的起點相連接，依次循環往下，直到所有的橫斷線都已連接，這條多義線就是節點多義線；新建另一層并在其中建立一條多義線，將橫斷線編號由小到大順序，依次將用此多義線將當前橫斷線起始點連接到下一橫斷線的起點，循環進行直到最后一條橫斷線，這條多義線就邊多義線。保證在新建的兩層中各自都有且僅有一條多義線，并檢查節點多義線以及邊多義線是否是一條完整的多義線，是否在連接的過程中有漏掉節點或者斷點的情況，若有則重新添加到相應的位置，對多義線進行補全。第五步，導出結果DXF文件:將節點多義線及邊多義線導出到同一個DXF文件中，需要注意的是在個DXF文件中，有且僅有這兩條多義線，而不含有其它一切AutoCAD中的曲線、點及文字的信息。以最終生成的DXF文件作為輸入文件，采用計算機編程的方法生成一個可供商業有限元軟件識別的有限元前處理信息文件，在這個文件中包含了所有節點的編號及幾何信息、單元編號及其所對應的節點編號。節點編號的順序是按照節點多義線中節點的連接順序確定，單元編號的順序按照單元的生成順序確定。
本發明所提出的二維網格劃分前處理方法，能將以前需要進行I天以上的工作時間縮短到僅僅I個小時左右，這樣大幅度提高了工作效率，創造更多的經濟效益。本發明的方法不僅僅適用于輪胎行業，還可廣泛適用于密封行業、建筑行業等其它適合采用AutoCAD進行網格處理，并采用二維有限元分析方法進行仿真的行業。
圖1是本發明的實施流程 圖2是采用ABAQUS生成的輪胎網格 圖3是導入AUTOCAD的輪胎輪廓 圖4是在AUTOCAD中劃分好的輪胎網格和橫斷線 圖5是生成的兩條多義線 圖6是在ABAQUS中采用新方法生成的網格分布圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護范圍不限于下述實施例。
實施例
圖1是本發明處理方法的實施流程圖，下面以一個輪胎實例按本發明的處理方法提供的二維網格劃分前處理過程進行具體說明。由于輪胎本身是一個軸對稱圖形，因此本實施例中取其一半進行實例講解。為了對比說明通用有限元軟件無法滿足用戶對單元網格的特殊要求，首先在有限元軟件ABAQUS中繪制出輪胎的輪廓圖，并按其網格劃分模塊自動生成分析單元網格。圖2為在ABAQUS中自動生成的網格圖，從圖中可以看出在圖形的中間部分，網格生成比較雜亂無章，根本無法滿足輪胎對于材料的均勻規則及連續分布的要求，因而采用此單元網格進行有限元分析是不合理的。而在ABAQUS中對其網格逐個進行調整和修改的工作量巨大，將會耗費大量的時間，嚴重降低效率，不能滿足實際工作中的需要。采用本發明根據圖1所示的流程，將輪胎的原始結構設計圖導入到計算機輔助設計程序AutoCAD中，首先對其進行清理，刪除掉原始圖中的尺寸標注、其它多余的文字信息以及和與結構及材料分布無關的曲線信息，只保留輪胎的初始材料分布和輪廓。接下來按照輪胎設計原理，添加剩余的材料并繪制不同材料之間的分界線，最終得到如圖3所示的輪胎材料結構輪廓圖。接下來在圖中按照對于輪胎材料分布以及整體布局的要求，添加不同的橫向和縱向輔助線，繪制輪胎進行有限元分析所需要的二維單元網格草圖。圖4中所示較粗線條均為添加的輔助線，通常情況下所添加的輔助線繪制方式均為由輪胎的內表面連接到輪胎的外表面的一條直線，并且盡可能得與原有的材料分界線保持垂直關系，但在一些地方應注意輔助線的繪制方式。如在輪胎的胎冠部分由于材料的形狀太大，需要添加橫向的輔助線來使生成的單元較小；在鋼絲圈的下部分，由于鋼絲圈影響和胎體材料必須是連接的要求，其輔助線并不是由一條直線所構成，而是由一系列的折線所組成。在本實施例中，以輪胎上部分最左面作為橫斷線的初始生成位置，按照橫斷線的生成方式，以較粗輔助線與內表面的交點作為橫斷線的起點，依次將此輔助線與材料分界線和其它輔助的交點連接起來，直至連接至與外表面的交點作為終點。按照從左往右和從上往下的順序依次生成所有的橫斷線并對橫斷線進行編號。在AutoCAD中新建一個層命名為PT，在其中新建一條多義線，將橫斷線按照編號的大小順序進行排列，并用此多義線將當前橫斷線上的節點按連接的先后順序依次相連，在相鄰橫斷線間由當前橫斷線的最后一個節點連接到下一橫斷線的起始節點，直到所有橫斷都串聯在一起，形成一條完整無間斷的這條多義線為節點多義線，如圖5中所示較細曲線。然后再新建一層，命名為BN，在此層中新建一條多義線，按照橫斷線編號的大小順序用這條多義線依次將其起始節點連接起來，這條多義線為邊多義線，如圖5中所示較粗曲線。由于節點多義線中包含了所有節點的坐標信息和編號信息，因此要注意檢查連接過程中的是否有點遺漏，這將影響到最終單元 的生成的質量和完整性。而邊多義線中包含了所有橫斷線的起始節點，用以區別將節點多義線的節點依次劃分為不同的橫斷線，用于生成單元，因此，若出現遺漏，將會導致二維單元網格生成的大錯亂。因此，在連接之后，重點檢查這兩條多義線是否出現漏點的問題，并保證在這新建的兩個層中有且僅有各自的一條多義線。最后，將這兩條多義線用DXF文件格式導出，注意在導出的時候不要將其它信息導出到此結果文件中。將此文件作為輸入文件，采用編程的方法生成可被通用有限元分析軟件ABAQUS所能識別的單元節點編號及幾何信息。將此文件導入ABAQUS中可得到采用此方法生成的輪胎二維網格圖，如圖6所示。由圖6中可以看出，采用新方法生成的網格圖，網格形狀是規則且合理的，能滿足輪胎對材料分布的要求，可以進行有效的有限元分析，并且此分析的結果是有效且能被接受的。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，這些具體實施方式
都是基于本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種輪胎有限元二維網絡劃分的前處理方法，其特征在于: 第一步，清理輪胎結構圖并繪制完整的輪胎材料分布圖:在計算機輔助繪圖程序AutoCAD中，打開輪胎的原始結構設計及材料分布草圖，清除圖中的文字說明、尺寸標注和其它不涉及結構和材料分布的輔助線，最終得到一個干凈的圖形；在此基礎上，按照對輪胎結構設計中材料分布的要求，在圖中繪制出不同材料分布之間的界限曲線，得到輪胎最終的材料分布圖； 第二步，添加輔助線并繪制單元草圖:通過分析輪胎中各種材料對單元的需求情況，在圖中繪制相應的橫向或縱向輔助線，同時使添加的輔助線和原有的材料分布界線相互保持垂直關系以便在圖中形成一個個封閉且正規而不是扭曲的四邊形或三角形的單元網格形狀；其多義線的繪制方法為在輪胎內表面以內附近選擇一點作為起點，在保證垂直的基礎上，在相應的外表面之外選擇一點作為終點繪制此輔助多義線；注意在胎肩部位時，此輔助多義線通常為折線；而在鋼絲圈下半部分，由于對鋼絲圈單元的要求，造成之后的輔助多義線通常并不是一條直線，而是需要進行彎轉；完成之后檢查生成的單元是否滿足用戶需求，并進行修改最終得到用戶所需要的單元網格分布草圖；此時在AutoCAD所形成的網格分布的幾何信息就與最終輪胎進行有限元分析時所對應的單元及其節點幾何信息一致； 第三步，形成橫斷線并對其進行編號:定義橫斷線是由從輪胎內表面連接到外表面的輔助線與材料分界線和其它輔助線之間的交點依次相連接而成；橫斷線的起點為此輔助線與內表面的交點，終點為此輔助線與外表面的交點；選擇輪胎的一個邊界位置作為橫斷線的起始位置，然后按照一定的方向順序，依次生成所有的橫斷線，同時對得到的橫斷線按生成的先后順序由小及大進行編號； 第四步，生成節點多義線和邊多義線:在AutoCAD中新建一層并在此層中新建一條多義線，按照橫斷線編號由小到大順序，用此多義線將當前橫斷線的節點按照由起點到終點的先后順序連接在一起，再將此橫斷線的終點與下一橫斷線的起點相連接，依次循環往下，直到所有的橫斷線都已連接，這條多義線就是節點多義線；新建另一層并在其中建立一條多義線，將橫斷線編號由小到大的順 序，依次將用此多義線將當前橫斷線起始點連接到下一橫斷線的起點，循環進行直到最后一條橫斷線，這條多義線就是邊多義線；保證在新建的兩層中各自都有且僅有一條多義線，并檢查節點多義線以及邊多義線是否是一條完整的多義線，是否在連接的過程中有漏掉節點或者斷點的情況，若有則重新添加到相應的位置，對多義線進行補全； 第五步，導出結果DXF文件:將節點多義線及邊多義線導出到同一個DXF文件中，需要注意的是在這個DXF文件中，有且僅有這兩條多義線，而不含有其它一切AutoCAD中的曲線、點及文字的信息。
全文摘要
本發明提供了一種輪胎有限元二維網絡劃分的前處理方法。本發明第一步，清理輪胎結構圖并繪制完整的輪胎材料分布圖；第二步，添加輔助線并繪制單元草圖；第三步，形成橫斷線并對其進行編號；第四步，生成節點多義線和邊多義線；第五步，導出結果DXF文件。以最終生成的DXF文件作為輸入文件，在這個文件中包含了所有節點的編號及幾何信息、單元編號及其所對應的節點編號。本發明的二維網格劃分前處理方法，能將以前需要進行1天以上的工作時間縮短到僅僅1個小時左右，大幅度提高了工作效率。本發明不僅僅適用于輪胎行業，還適用于密封行業、建筑行業等其它適合采用AutoCAD進行網格處理，并采用二維有限元分析方法進行仿真的行業。
文檔編號G06F17/50GK103246792SQ20131021277
公開日2013年8月14日 申請日期2013年6月1日 優先權日2013年6月1日
發明者王友善, 苗常青, 謝志民 申請人:哈爾濱工業大學