基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法，包括：获取梁单元的刚度矩阵和质量矩阵和非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵；对管路系统约束区划分实体网格，对管路系统非约束区划分梁单元网格；基于界面耦合单元位移关系获取所述界面耦合单元的刚度矩阵；获取管路系统的单元刚度矩阵和质量矩阵；基于管路系统的运动方程得到管路系统的节点位移响应；通过应力磨平的方式求解单元节点处应力响应，并分析管路系统的最大应力响应是否处于预设的响应合理区间，如果在响应合理区间内则判断管路系统应力响应设计合理，否则判断不合理。否则判断不合理。否则判断不合理。

【技术实现步骤摘要】
基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法


[0001]本专利技术涉及管路系统动力学减缩建模领域，具体而言，尤其涉及一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法。

技术介绍

[0002]航空发动机管路系统在工作时需要承受气动激励/泵源激励以及转子不平衡等多种激励的作用。在外激励作用下，可能引起管体应力增大，导致管体破裂，管体变形或焊缝裂纹等缺陷，因而需要采用合适的方法在设计阶段对管路在外激励作用下的应力响应进行分析和判断，以提高管路系统的设计可靠性。在应力分析方面，通常采用有限元法求解结构的应力响应，其中主要使用实体单元或壳单元构造结构的精细化模型，从而较为准确的求解结构任意部位的应力响应。但是精细化模型自由度数较多，导致刚度矩阵和质量矩阵较为庞大，计算效率较低下，难以管路系统优化提供有效的数据支持。

技术实现思路

[0003]根据上述提出的管路系统优化缺乏有效数据支持的技术问题，而提供一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法。本专利技术主要利用梁单元和非协调实体单元对管路系统进行联合模拟，基于梁单元和实体单元的位移约束方程创建管路系统的有限元模型，从而得到管路系统的应力响应，进而获取单元节点处的改进应力，从而实现管路系统优化。
[0004]本专利技术采用的技术手段如下：
[0005]一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法，包括：
[0006]基于三维Timoshenko梁单元获取梁单元的刚度矩阵和质量矩阵；
[0007]采用空间8节点的非协调实体单元模拟管路实体部分的特性，从而获取非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵；
[0008]管路系统进行网格划分，包括对管路系统约束区划分实体网格，对管路系统非约束区划分梁单元网格；
[0009]通过构建界面耦合单元实现梁单元和与其共截面的实体单元节点的连接，基于界面耦合单元位移关系获取所述界面耦合单元的刚度矩阵；
[0010]基于梁单元的刚度矩阵和质量矩阵、非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵以及界面耦合单元的刚度矩阵获取管路系统的单元刚度矩阵和质量矩阵；
[0011]对管路系统施加基础激励，基于管路系统的运动方程得到管路系统的节点位移响应；
[0012]基于所述管路系统的节点位移响应利用Gauss积分点通过应力磨平的方式可以求得任意单元在单元节点处的应力响应；
[0013]判断任意单元在Gauss积分点处的应力响应是否处于预设的响应合理区间，如果在响应合理区间内则判断管路系统应力响应设计合理，否则判断不合理。
[0014]进一步地，非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵根据以下计算获得：
[0015][0016]其中，K
e
为非协调实体单元的刚度矩阵，B为主自由度对应的应变矩阵，D为弹性矩阵，为附加自由度对应的应变矩阵，M
e
为非协调实体单元的质量矩阵，ρ为密度，N为单元形函数矩阵，V为体积。
[0017]进一步地，所述界面耦合单元的刚度矩阵根据以下计算获取：
[0018][0019]其中，K2为界面耦合单元的刚度矩阵，κ为罚因子，G为节点自由度和总体自由度之间的转换矩阵，G
c
为位移约束矩阵。
[0020]进一步地，管路系统的单元刚度矩阵和质量矩阵根据以下计算获取：
[0021]K＝K
s
+K
b
+K
c
[0022]M＝M
s
+M
b
[0023]其中，K为管路系统的单元刚度矩阵，K
s
为非协调实体单元的刚度矩阵，K
b
为梁单元的刚度矩阵，K
c
为耦合刚度矩阵，M为管路系统的单元质量矩阵，M
s
为非协调实体单元的质量矩阵，M
b
为梁单元的质量矩阵。
[0024]进一步地，管路系统的节点位移响应根据以下计算获取：
[0025][0026]其中，x为管路系统的节点位移响应，F为外载荷，ω为外激励频率，α和β分别为瑞利阻尼系数，ω
j
为第j阶的固有频率，Φ
m
为对管路系统有限元模型进行模态分析得到的前m阶正则化矩阵，为对应的第j阶模态振型。
[0027]进一步地，任意单元在Gauss积分点处的应力响应根据以下计算获取：
[0028]σ
n
＝DB
n
u
n
[0029]其中，σ
n
为Gauss积分点处的应力，D为弹性矩阵，B
n
为对应Gauss积分点的应变矩阵，u
n
为单元节点的位移响应。
[0030]进一步地，通过应力磨平的方式得到单元节点处的应力响应，包括：通过应力磨平的方式引入改进的应力解，通过Gauss积分点处的应力得到，具体表示为：
[0031][0032][0033]其中，i＝1,2,...,8分别表示一个单元8个节点的应力改进值，i＝1,2,...,8分别表示通过有限元求得的一个单元Gauss积分点处的应力解。
[0034]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0035]1、本专利技术提供了一种管路系统应力响应快速评估方法，通过梁单元和非协调实体单元对管路系统进行联合模拟，基于梁单元和实体单元的位移约束方程创建管路系统的有限元模型，从而得到单元节点处的改进应力，为管路系统优化提供有效的数据支持。
[0036]2、本专利技术中管路系统的大部分管体使用梁单元模拟，因而管路系统自由度较少，因而计算效率较高，当管路系统网格越精细时，本专利技术提出的方法越优越。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本专利技术一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法流程图。
[0039]图2为本专利技术实施例提供的梁单元和空间8节点非协调实体单元示意图，(a)为实体单元，(b)为梁单元。
[0040]图3为本专利技术实施例提供的管路系统分网示意图，(a)为空间管三维模型，(b)为空间管实体模型，(c)为空间管梁
‑
实体模型。
[0041]图4为本专利技术实施例提供的耦合单元示意图，(a)为实体和梁的耦合，(b)为单点耦合约束。
具体实施方式
[0042]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的
附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法，其特征在于，包括：基于三维Timoshenko梁单元获取梁单元的刚度矩阵和质量矩阵；采用空间8节点的非协调实体单元模拟管路实体部分的特性，从而获取非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵；管路系统进行网格划分，包括对管路系统约束区划分实体网格，对管路系统非约束区划分梁单元网格；通过构建界面耦合单元实现梁单元和与其共截面的实体单元节点的连接，基于界面耦合单元位移关系获取所述界面耦合单元的刚度矩阵；基于梁单元的刚度矩阵和质量矩阵、非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵以及界面耦合单元的刚度矩阵获取管路系统的单元刚度矩阵和质量矩阵；对管路系统施加基础激励，基于管路系统的运动方程得到管路系统的节点位移响应；基于所述管路系统的节点位移响应利用Gauss积分点可以求得任意单元在Gauss积分点处的应力响应，并通过应力磨平的方式得到单元节点处的应力响应；判断管路系统的最大应力响应是否处于预设的响应合理区间，如果在响应合理区间内则判断管路系统应力响应设计合理，否则判断不合理。2.根据权利要求1所述的一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法，其特征在于，非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵根据以下计算获得：法，其特征在于，非协调实体单元的刚度矩阵和质量矩阵根据以下计算获得：M
e
＝∫
V
ρN
T
NdV其中，K
e
为非协调实体单元的刚度矩阵，B为主自由度对应的应变矩阵，D为弹性矩阵，为附加自由度对应的应变矩阵，M
e
为非协调实体单元的质量矩阵，ρ为密度，N为单元形函数矩阵，V为体积。3.根据权利要求1所述的一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法，其特征在于，所述界面耦合单元的刚度矩阵根据以下计算获取：其中，K2为界面耦合单元的刚度矩阵，κ为罚因子，G为节点自由度和总体自由度之间的转换矩阵，G
c
为位移约束矩阵。4.根据权利要求1所述的一种基于梁单元和实体单元耦合的管路系统应力响应评估方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，季文豪，谭莉，王鑫，马辉，李晖，林君哲，汪博，韩清凯，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：