[发明专利]一种弹炮耦合有限元参数化建模方法

说明书

本发明提出了一种弹炮耦合有限元参数化建模方法，涉及机械结构参数化建模技术领域，将线膛身管弹炮耦合有限元建模过程通过Python语言进行描述，使用脚本建立弹炮耦合有限元模型，使得建立弹炮耦合有限元模型更加方便、快捷；主要包括：首先建立身管及弹丸二维草图，将二维草图实现全约束并定义参数化变量，根据二维草图自动生成三维模型，并根据缠角变化规律采用Python语言对身管节点进行偏移，采用Python描述建立弹丸与身管之间的耦合关系。本发明采用编程技术实现了弹炮耦合有限元模型的自动更改与数值模型的自动更新，从而提高了弹炮耦合有限元模型的建模速度，缩短了设计周期，极大提高了工作效率。

技术领域

本发明属于结构参数化建模技术领域，特别是一种弹炮耦合有限元参数化建模技术领域。

背景技术

弹丸发射是一个极其复杂的动力学过程。弹丸在膛内运动期间与炮膛之间相互作用，弹带材料在高温高压下发生高度非线性的力学行为，为了研究弹丸膛内时期的动力学规律，需要建立弹丸与身管相互作用的耦合模型。采用有限元法建立弹炮耦合模型对火炮进行发射动力学仿真分析是研究火炮系统射击过程内在规律的一种重要手段。传统建模方法非常耗时，且建模精度较低，为了能够深入研究弹炮相互作用的力学规律，往往需要建立大量的仿真模型进行动力学仿真分析。目前的建模方法难以保证快速建立出较高精度的弹炮耦合有限元模型，研究建立具有较高精度的参数化有限元模型对火炮发射动力学仿真具有重要意义。

由于线膛身管内膛参数众多，弹丸与身管耦合作用极其复杂，加之弹丸与身管之间复杂的力学行为容易导致模型计算不收敛，这使得建立出具有较高精度的弹炮耦合有限元模型变得十分困难。现有技术解决弹炮耦合有限元建模的手段大多都是先在三维建模软件中分别建立身管及弹丸三维实体模型，然后将模型导入网格前处理软件中进行网格的划分，最后将划分好的身管网格模型导入有限元软件中，最后进行弹丸与身管的耦合关系的施加，从而建立出弹炮耦合有限元模型。采用以上建模方法存在的缺点在于：1)由于软件兼容性问题，三维实体模型导入网格划分软件后会经常发生精度问题，导致有限元网格划分失败。2)由于弹丸与身管模型耦合关系需要进行手动逐步操作，导致建模过程操作步骤繁琐、耗时。3)对于不同结构参数的弹炮耦合有限元模型，每当结构参数改变时，都需重新进行所有建模步骤的操作，导致建模过程自动化程度极低。

建立线膛身管的精确有限元模型是研究弹炮耦合问题的关键。现有技术中，能够较好地解决复杂空间曲线特征有限元建模的方法为节点偏移法，如以公布的发明专利CN107679341A一种身管结构有限元参数化建模方法即采用节点偏移法对线膛身管进行参数化建模，但该方法只能建立身管的有限元参数化模型，未能解决弹丸与身管耦合的参数化建模问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹炮耦合有限元参数化建模方法，以解决传统弹炮耦合有限元建模效率低的问题。通过有限元软件二次开发可以实现弹炮耦合有限元复杂模型的自动、快速、高效建立，无需借助第三方软件，只需在ABAQUS软件中运行脚本程序，即可实现弹炮耦合有限元模型的自动化建立。

实现本发明目的的技术解决方案为：

步骤1，根据身管实际结构尺寸，确定结构参数变量，利用Python语言定义结构参数化变量，编写有限元软件建模初始化程序；

步骤2，根据弹丸及身管实际结构，在有限元软件中建立直膛线身管及弹丸二维草图，进而建立三维实体模型，从建模过程中软件后台自动生成的rpy文件中提取出相应程序段，得到身管及弹丸三维实体建模程序；

步骤3，使用Python语言控制直膛线身管及弹丸的有限元单元网格的自动化划分；

步骤4，导出直膛线身管有限元inp文件，利用Python语言读取身管单元节点并进行单元节点偏移，生成具有螺旋膛线的身管有限元模型inp文件；

步骤5，利用Python语言读取步骤4生成的inp文件并将模型导入到有限元软件；