一種ansys中等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型的建立方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于氣動光學效應研宄領域，涉及一種ANSYS中等厚度二次曲面光學頭罩 有限元模型的建立方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的迅速發展，研宄發現飛行器二次曲面光學頭罩在復雜氣動熱環境 下具有比球形頭罩更小的阻力和更好的成像質量，因而深入研宄其氣動性能對于指導飛行 器頭罩的外形設計具有重要的意義，同時也為氣動熱環境下高速飛行器外流場和頭罩光傳 輸仿真分析和頭罩熱輻射計算提供數據支持。
[0003] 氣動熱環境下二次曲面光學頭罩由于熱傳導和熱應力等效應導致頭罩材料的外 形和光學性質發生變化，進而影響來自目標的紅外輻射光線傳輸，使得高速飛行器成像探 測系統對目標圖像產生像模糊、抖動、偏移和能量衰減，最終將嚴重影響高速飛行器的探測 性能。飛行器在大氣層中高速飛行時其頭罩與來流之間發生劇烈的相互作用，頭罩溫度升 高，使光學成像探測系統處于復雜的氣動熱環境中，這種效應稱為飛行器光學頭罩氣動熱 效應。要想分析二次曲面光學頭罩氣動熱效應，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對頭罩進行熱-結構耦合計算，對應分析其氣動熱效應。
[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中現有的建模工具進行建模的只有像等厚度球形頭罩，長 方體平板側窗等較普遍、較規則的形狀，對于一些較復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。但是隨著科技的發展，飛行器的頭罩種類已經從球形向 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展。 要想對飛行器高速飛行狀態下的外流場以及其自身進行分析，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。
【發明內容】
[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 于二次曲面光學頭罩的熱結構耦合計算從實體模型到有限元模型的建立、熱力學邊界條件 的加載以及到整體熱-結構耦合計算的實現都可以在ANSYS中進行而不必借助其他實體 模型建立軟件，本發明提供了一種ANSYS中等厚度二次曲面光學頭罩有限元模型的建立方 法。在本發明中，采用ANSYS-APDL語言開發了一種自底向上建立等厚度二次曲面光學頭罩 有限元模型的方法，其中所建立的二次曲面光學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] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[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，并將其轉化為函數形式
[0009] 根據要建立的二次曲面光學頭罩有限元模型的基本參數，對其立體模型在XY平 面進行投影，確定該平面上內外側二次曲線方程，并將其轉換為函數形式。
[0010] 在本發明中，所建立的二次曲面光學頭罩有限元模型包括橢球形與拋物面形兩種 形狀，對應的二次曲線方程包括橢圓方程與拋物線方程。建立平面直角坐標系，得到要建立 的橢球在XY平面的截面圖，如圖1所示，依據下邊橢圓方程：
[0012] 式中，a--橢圓半長軸，b--橢圓半短軸。
[0013] 分別將內外側特殊點數據帶入上述參數方程，即得到內外側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鍵點，需要將得到的橢圓參數方程轉化為如下的函數形 式：
[0016] 同理依據拋物線參數方程：
[0017] y=ax2+b
[0018] 式中：a，b均為系數。
[0019] 建立直角坐標系，如圖2所示，依據所給拋物線基本技術參數，取特殊點數據帶入 拋物線方程中，因而可以確定內外側拋物線的曲線方程。
[0020] 到此，按照上述方法，已經成功按照給定的二次曲面頭罩模型尺寸，建立了其在XY 方向上對應的曲線方程，并轉化為函數表達形式。
[0021] 二、依據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] 本發明所要建立的橢球面光學頭罩與拋物面光學頭罩開口均沿Y軸方向，根據由 步驟一所確定的橢圓與拋物線方程，在本發明中選擇x為自變量，y為函數。根據頭罩頂點 到底端面的距離，按照函數關系，我們可確定自變量的取值范圍。
[0023] 三、基于ANSYS-APDL語言編寫循環命令建立疏密分布的關鍵點
[0024] 為了使建立曲線的方法具有一般性，本發明采用描點連線法。依據步驟一、步驟二 所述的內容，本發明在ANSYS中利用APDL語言編寫循環命令建立疏密分布的關鍵點。為了 保證獲得的樣條曲線光滑性好，應該取盡可能多的點，根據步驟二所確定的自變量范圍，在 本發明中沿x軸方向取點的間隔為0. 001。在本發明中采用APDL語言編寫循環命令，依靠 循環采用K命令建立一系列在X軸方向上間距為0. 001m的關鍵點。在本發明中所得到的 橢圓、拋物線內外側關鍵點分布如圖3-6所不。
[0025] 四、基于ANSYS-APDL語言使用B樣條線段命令BSPLINE形成初步樣條曲線
[0026] 在本發明中，對于上述所建立的關鍵點，依據描點連線法，利用ANSYS-APDL中 BSPLINE、*DO與*ENDDO命令逐個連接關鍵點形成B樣條曲線。在本發明中，利用上述命令 得到的第一象限中內外側橢圓與拋物線的樣條曲線如圖7-8所示。
[0027] 五、基于ANSYS-APDL語言對步驟四中的初步樣條線進行線段的融合
[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成的曲線。為了后續能更簡單快捷地利用線段形成平 面，我們需要對橢圓以及拋物線內外兩側的樣條曲線進行線段的融合。由于在APDL的布爾 運算操作中，沒有實現線段相加的命令，本發明中采用LCOMB實現多段線段的連接融合。通 過ANSYS-APDL中LCOMB、*DO與*ENDDO的配合使用，分別實現將兩種曲線內側樣條線段的 連接融合，即之前的多段小線段經過該步驟后形成一條只有一個線段編號完整的曲線，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語言連接步驟五中融合后的線段形成平面
[0030] 在本發明中采用線段連接命令L分別對兩種曲線內外兩側曲線進行連接，到此我 們已經得到封閉的平面模型。接下來分別對兩種模型中的線段采用APDL中的線段編號壓 縮命令進行壓縮，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應的平 面，所形成的兩個平面模型如圖11-12所示。
[0031] 七、基于ANSYS-APDL語言對步驟六中所形成的面進行網格劃分
[0032] 在本發明中，通過編寫APDL命令對上述建立的平面模型的四條邊界線進行網格 大小以及網格劃分類型的控制，然后采用APDL中的AMESH命令劃分網格，劃分網格后的兩 個平面模型分別如圖13-14所示。
[0033] 八、基于ANSYS-APDL語言對步驟七中形成的有限元模型旋轉成體
[0034] 經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 軸或是過兩個特定關鍵點的直線旋轉一定的度數，進而生成最終的有限元分析模型。具體 旋轉的度數應按照實際模型來確定，在本發明中要建立的橢球形、拋物面形光學頭罩有限 元模型是由圖13-14所示的部分平面有限元模型旋轉360度形成的。如果僅分析其中的一 部分，可以選擇旋轉0°到360°的任意角度來建立模型。在本發明中，最終建立的橢球面 形光學頭罩與拋物面形光學頭罩分別如圖15-16所示。
[0035] 本發明方法的優點包括以下幾個方面：
[0036] (1)本發明解決了在ANSYS中直接建立等厚度二次曲面有限元模型難的問題，使 得以后對于二次曲面光學頭罩的熱結構耦合計算從實體模型到有限元模型的建立、熱力學 邊界條件的加載以及到整體熱-結構耦合計算的實現都可以在ANSYS中進行而不必借助其 他實體模型建立軟件。
[0037] (2)本發明中整體的建模過程采用ANSYS批處理（Batch)方式，使得所發明的方法 對于二次曲面光學頭罩的建立更具靈活性與普遍性，使用時可以依據實際情況僅修改APDL 語言的部分數據使得該發明方法適用于新的工況。
[0038] (3)本發明所提出的方法相比較直接采用用戶界面進行分析的過程，避免了同一 類問題多次進行加載費事、費力、易錯等缺點。
[0039] (4)本發明所提供的方法不僅針對二次曲面光學頭罩有限元模型的建立過程，也 可以用于其他復雜回轉對稱模型的建立。對于其他復雜的回轉對稱面形，仍然可以采用本 發明中三維模型投影到平面，進而建立曲線方程，描點連線，利用封閉曲線形成面進而再旋 轉到體的方法。
【附圖說明】
[0040]圖1為平面直角坐標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命令建立的外側橢圓曲線上關鍵點的疏密分布圖；
[0043] 圖4為用APDL命令建立的內外側橢圓曲線上關鍵點的疏密分布圖；
[0044] 圖5為用APDL命令建立的外側拋物線上關鍵點的疏密分布圖；
[0045] 圖6為用APDL命令建立的內外側拋物線上關鍵點的疏密分布圖；
[0046] 圖7為第一象限中內外側橢圓樣條曲線示意圖；
[0047] 圖8為第一象限中內外側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側橢圓樣條曲線示意圖；
[0049] 圖10為用APDL命令連接融合后的內側拋物線樣條曲線示意圖；
[0050]圖11為利用內外側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為利用內外側拋物線以及連接兩條曲線的線段組成的平面模型；
[0052]圖13為對由橢圓曲線構成的平面模型劃分網格后的有限元模型示意圖；
[0053]圖14為對由拋物線構成的平面模型劃分網格后的有限元模型示意圖；
[0054] 圖15為按照要求指標所建立的橢球形光學頭罩有限元模型；
[0055] 圖16為按照要求指標所建立的拋物線光學頭罩有限元模