臍帶纜有限元模型前處理系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋工程設(shè)備中的臍帶纜分析技術(shù)，特別是涉及一種臍帶纜的三維實(shí)體有限元分析的前處理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前使用通用有限元軟件對(duì)臍帶纜進(jìn)行分析是比較常用的方法。但是，在三維實(shí)體分析中，臍帶纜的螺旋構(gòu)件模型的建立以及設(shè)置相互之間的接觸和摩擦關(guān)系非常耗時(shí)、枯燥，效率低下，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤并且難以修改。在進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，往往需要建立很多模型，建模工作極其繁瑣。
[0003]通用有限元軟件ANSYS和ABAQUS/CAE僅能建立一次螺旋構(gòu)件模型，不能直接建立高次螺旋構(gòu)件模型。目前可以實(shí)現(xiàn)高次螺旋建模的方法是使用Pro/E或者AutoCAD的三維建模功能建立實(shí)體模型的sta文件，之后導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行分析，也可以通過(guò)在ANSYS中輸入高次螺旋線的離散點(diǎn)，通過(guò)樣條曲線建立近似的高次螺旋線。但是依然存在以下問(wèn)題:
[0004](I) Pro/E或者AutoCAD僅能實(shí)現(xiàn)建模功能，導(dǎo)入ABAQUS中后仍然需要進(jìn)行接觸摩擦和邊界條件的設(shè)置；
[0005](2) ANSYS中利用樣條曲線建模過(guò)程和AutoCAD的三維建模過(guò)程，均對(duì)螺旋母線進(jìn)行了近似處理，所得到的三維模型不夠精確，局部存在扭曲，在后續(xù)的接觸和分析中易導(dǎo)致單元扭曲；
[0006](3)軟件之間的相互導(dǎo)入，降低了建模效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種臍帶纜有限元模型前處理方法，針對(duì)鋼管臍帶纜的非螺旋構(gòu)件、一次和二次螺旋構(gòu)件開發(fā)自動(dòng)前處理方法，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分、材料屬性的賦予、接觸面的自動(dòng)搜索和載荷邊界條件的施加等功能，以降低建模時(shí)間，提高修改效率，為臍帶纜的三維實(shí)體有限元分析提供便利。
[0008]本發(fā)明提出了一種臍帶纜有限元模型前處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括材料模塊、部件模塊、載荷步模塊、接觸與摩擦模塊、載荷與邊界條件模塊以及生成INP文件模塊；其中:
[0009]所述材料模塊，用于輸入材料參數(shù)，所述材料參數(shù)至少包括材料名稱、密度、彈性模量和泊松比的參數(shù)在內(nèi)的線彈性材料屬性；
[0010]所述部件模塊，用于建立臍帶纜構(gòu)建的幾何模型和有限元模型，建立非螺旋構(gòu)件、一次螺旋構(gòu)件和二次螺旋構(gòu)件，支持單層和多層材料；并且，定義部件屬性，所述部件屬性至少包括部件的名稱、長(zhǎng)度、構(gòu)型參數(shù)、尺寸參數(shù)、材料參數(shù)和網(wǎng)格參數(shù)，其中，構(gòu)型參數(shù)包括構(gòu)件的螺旋參數(shù)、空間位置和環(huán)形陣列數(shù)；
[0011]所述載荷步模塊，用于設(shè)置載荷步，所述載荷步至少包括求解器類型、非線性開關(guān)、重啟動(dòng)開關(guān)和結(jié)果輸出；
[0012]所述接觸與摩擦模塊，用于設(shè)置端部截面耦合方式、接觸屬性和接觸對(duì)；
[0013]所述載荷與邊界條件模塊，用于設(shè)置載荷類型、邊界條件和施加區(qū)域；
[0014]所述生成INP文件模塊，用于直接輸出INP文件到指定的保存路徑，輸出的INP文件在ABAQUS/Command模塊中直接被調(diào)用進(jìn)行計(jì)算，或者導(dǎo)入ABAQUS/CAE中做進(jìn)一步的處理。
[0015]本發(fā)明提出了一種臍帶纜有限元模型前處理方法，該方法包括以下步驟:
[0016]步驟1、在材料模塊中輸入材料參數(shù)，所述材料參數(shù)至少包括材料名稱、密度、彈性模量和泊松比的參數(shù)在內(nèi)的線彈性材料屬性；
[0017]步驟2、在部件模塊中定義部件信息，至少包括部件的名稱、長(zhǎng)度、構(gòu)型參數(shù)、尺寸參數(shù)、材料參數(shù)和網(wǎng)格參數(shù)，其中，構(gòu)型參數(shù)包括構(gòu)件的螺旋參數(shù)、空間位置和環(huán)形陣列數(shù)；
[0018]步驟3、在載荷步模塊中定義載荷步，至少包括求解器類型、非線性開關(guān)、重啟動(dòng)開關(guān)和結(jié)果輸出；
[0019]步驟4、在接觸與摩擦模塊中設(shè)置端部截面耦合、接觸屬性和接觸對(duì)；
[0020]步驟5、在載荷與邊界條件模塊中設(shè)置載荷、邊界條件和施加區(qū)域。其中施加區(qū)域通過(guò)軟件自動(dòng)提供的所有可能施加載荷與邊界條件的面和參考點(diǎn)進(jìn)行選擇設(shè)置。
[0021]步驟6、在生成INP文件模塊中輸出的INP文件，直接使用ABAQUS/Command模塊調(diào)用計(jì)算，或者導(dǎo)入ABAQUS/CAE中做進(jìn)一步的處理。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下積極效果:
[0023](I)臍帶纜有限元模型前處理軟件在螺旋線的Frenet標(biāo)架推導(dǎo)和程序開發(fā)過(guò)程中全程采用數(shù)學(xué)解析方法，保證了高精度的模型建立和網(wǎng)格劃分。
[0024](2)臍帶纜有限元模型前處理軟件輸出的INP文件可以在ABAQUS/Command模塊中直接調(diào)用計(jì)算，也可以導(dǎo)入ABAQUS/CAE中做進(jìn)一步的處理，為臍帶纜的建模提供了極大的便利，縮短了建模時(shí)間，并且使用簡(jiǎn)便。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為臍帶纜有限元模型前處理系統(tǒng)模塊框架圖；
[0026]圖2為為臍帶纜有限元模型前處理方法的流程圖；
[0027]圖3為臍帶纜有限元模型前處理軟件生成的臍帶纜模型。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施范圍并不局限于此。
[0029]臍帶纜有限元模型前處理系統(tǒng)，包括材料模塊、部件模塊、載荷步模塊、接觸與摩擦模塊、載荷與邊界條件模塊以及生成INP文件模塊。
[0030]所述材料模塊用以設(shè)置材料參數(shù)，支持最常用的線彈性材料屬性的輸入，包括材料名稱、密度、彈性模量和泊松比的參數(shù)。對(duì)于其他材料模型，如彈塑性或者超彈性等材料屬性的輸入，可以在生成的INP文件中，根據(jù)相應(yīng)書寫規(guī)則添加相關(guān)的參數(shù)，也可以將生成的INP文件讀入ABAQUS/CAE中，修改材料屬性。
[0031]所述部件模塊用以建立臍帶纜構(gòu)建的幾何模型和有限元模型，能夠建立非螺旋構(gòu)件、一次螺旋構(gòu)件和二次螺旋構(gòu)件，并且支持單層和多層材料。該模塊可定義部件的屬性，包括部件的名稱、長(zhǎng)度、構(gòu)型參數(shù)、尺寸參數(shù)、材料參數(shù)和網(wǎng)格參數(shù)。其中，構(gòu)型參數(shù)包括構(gòu)件的螺旋參數(shù)、空間位置和環(huán)形陣列數(shù)。
[0032]所述載荷步模塊用以設(shè)置載荷步、求解器類型、非線性開關(guān)、重啟動(dòng)開關(guān)和結(jié)果輸出等內(nèi)容。本發(fā)明提供了常用的三種求解器的設(shè)置:General static, Dynamic implicit和Dynamic explicit，并且考慮到不同求解器的設(shè)置參數(shù)，包括計(jì)算時(shí)間、最大迭代次數(shù)、起始增量步、最小增量步、最大增量步、非線性開關(guān)和重啟動(dòng)開關(guān)。軟件還設(shè)計(jì)了歷史變量和場(chǎng)變量輸出界面，可以從中勾選需要的變量輸出結(jié)果。
[0033]所述接觸與摩擦模塊用以設(shè)置端部截面耦合方式、接觸屬性和接觸對(duì)。端部截面親合開關(guān)，可設(shè)置非親合、Continuum distributing親合和Kinematic親合。接觸屬性設(shè)置可能接觸的材料的摩擦系數(shù)。該模塊中的材料信息來(lái)自材料模塊輸入的信息。系統(tǒng)提供了接觸對(duì)自動(dòng)搜索功能，特別是當(dāng)內(nèi)外層的螺旋角度相反時(shí)仍可設(shè)置面面接觸。在搜索到可能接觸的構(gòu)件之后，自動(dòng)根據(jù)兩個(gè)構(gòu)件之間相互接觸的材料，為該接觸對(duì)賦予相應(yīng)的接觸屬性。
[0034]所述載荷與邊界條件模塊包括載荷、邊界條件