[发明专利]一种基于有限元模型的全六面体单元加密方法

说明书

本发明涉及一种基于有限元模型的全六面体单元加密方法，该方法基于有限元模型对六面体单元进行拓扑化数据重构；将转化后的单元构建拓扑单元结构数据；将拓扑单元结构数据划分成目标单元和周边单元，所述目标单元为需要细分的单元，将各单元采用单元拓扑结构数据表示，并获取六面体单元的过渡单元；最后更新单元模型拓扑数据，重复进行多级细分。与现有技术相比，本发明具有能够实现六面体单元有限元模型任意位置的任意尺度的单元细分、可自动化进行、实现灵活等优点。

技术领域

本发明涉及有限元建模技术领域，尤其是涉及一种基于有限元模型的全六面体单元加密方法。

背景技术

在疲劳裂纹扩展分析领域，裂纹尖端的单元密度和单元类型对应力强度因子计算精度影响巨大。一般情况下四面体单元网格可以近似表示任意形状的几何体，在结构有限元分析领域应用广泛。但四面体单元无法计算剪切应力，相比于六面体单元，获得同等计算精度情况下，四面体单元数量比六面体单元数量多几倍。而且六面体单元可以引入附加形函数，可以进一步提高计算精度。相比于四面体单元，六面体单元因其计算精度高，在疲劳裂纹扩展有限元分析领域内得到广泛使用。

然而相比于四面体单元，六面体单元的划分难度大，且对于复杂模型无法自动划分。有限元分析计算精度和单元密度有关，通常情况下在一些关键区域内要求单元密度大，在一些远端处则用比较稀疏的单元，这样做可以在保证单元数量不大的情况下取得比较满意的计算精度，因此进行单元局部加密就显得非常重要。一般情况下能实施局部加密的都是四面体单元，对于四面体单元目前的单元划分算法和单元局部加密算法都比较成熟，可以进行自动化单元加密，但是四面体单元计算精度比六面体单元要差，为了取得较好的计算精度，一般建议使用六面体单元进行有限元计算。

六面体单元有限元模型可采用一般有限元前处理软件生成，但是目前普遍存在的一个问题是如何对六面体单元进行局部加密。通常的方法是在有限元建模单元生成的时候就指定一个很细的单元尺寸，这样做可以达到单元细分的目的，但是模型单元成倍增加，在一些不需要加密的区域也进行加密，显然不合适，增加了处理成本且不够灵活。通常情况下重新生成有限元模型成本太大，大多数情况下是对现有模型进行加密，那么如何对现有模型进行局部加密，显然现有有限元前处理软件都无法进行六面体单元局部加密。

目前对于六面体单元的单元局部加密方法，现有技术提出了一些过渡模板方法被，这些方法对六面体单元加密自动化方法的实现提供了一定的技术基础。中国发明专利CN103729506A提出了一种复杂模型全六面体单元重塑方法，但是该方法只能对扫掠单元进行加密，本质上是二维面单元加密方法，无法适用于任意结构的三维六面体局部单元加密，且该方法仅限于在生成有限元单元时使用，无法对现有有限元模型进行操作，且在过渡区域需要采用四面体和五面体进行临时过渡，需要大量的人工手工操作，无法进行全自动化进行。中国发明专利CN103116682A提出一种有限元孔的裂纹单元构造方法，该方法可以对孔区域进行单元生成和加密，但是仅限于生成四面体单元。综上，目前还没有全六面体单元自动化单元局部多级加密方法提出。显然对任意六面体单元的局部区域进行加密的方法成为了目前业界的技术瓶颈，急需相应的技术方法来满足业界需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于有限元模型的全六面体单元加密方法，该方法将拓扑几何数据结构方法应用在有限元单元细分上，可对全六面体有限元模型进行任意的局部多次自动化全六面体单元加密。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于有限元模型的全六面体单元加密方法，该方法基于拓扑几何数据结构，包括如下步骤：

S1：对有限元六面体单元进行拓扑化数据转化，即对六面体单元拓扑化数据重构，具体步骤包括：

1.1)将每一个六面体单元定义为quad8，其拓扑结构由6个拓扑面组成；

1.2)将单元中每一个拓扑面定义为face，其由4条拓扑边组成；