復(fù)合材料捻子條區(qū)三角網(wǎng)格劃分

王世杰

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并帶來明顯的減重效益。隨著人們對(duì)飛機(jī)整體重量的重視，復(fù)合材料已越來越多的應(yīng)用在尾翼、機(jī)身、機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)中。其中T 型、工型以及帽型結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)的典型構(gòu)件。對(duì)于工型長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)一般是由上蓋板、下底板、左/右C 型構(gòu)件組合而成的，左/右C 型構(gòu)件在與上蓋板、下底板組合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生三角空隙區(qū)。圖1 是工型長(zhǎng)桁截面示意圖。在實(shí)際制作中，一般使用一定體積的復(fù)合材料填充物（捻子條）來填充三角空隙，以降低應(yīng)力集中并提高R 區(qū)成型質(zhì)量。圖2 是捻子條形狀示意圖。

圖1 工型長(zhǎng)桁截面示意圖

圖2 捻子條形狀示意圖

復(fù)雜結(jié)構(gòu)在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于形式復(fù)雜而計(jì)算花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，或者由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足時(shí)，往往對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化。但為了得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)幾何簡(jiǎn)化模型也應(yīng)盡量靠近原始模型，簡(jiǎn)化一些尺寸相對(duì)較小的細(xì)節(jié)，主要的結(jié)構(gòu)幾何形狀一定要保留，隨意的刪減一些結(jié)構(gòu)，會(huì)改變模型的剛度，得到的結(jié)果與實(shí)際值之間存在巨大的差別。T 型/工型等梁或長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)在劃分網(wǎng)格時(shí)，若對(duì)捻子條區(qū)域幾何簡(jiǎn)化，則腹板與緣條相交處呈直角，幾何形狀劇烈變化導(dǎo)致該處應(yīng)力集中，使仿真分析結(jié)果失真。圖3 是將捻子條區(qū)幾何簡(jiǎn)化后應(yīng)力仿真分析結(jié)果。從圖3 中可以看出直角處應(yīng)力值明顯高于其他區(qū)域。故T 型、工型以及帽型加筋壁板的三角填充區(qū)不能幾何簡(jiǎn)化，需要對(duì)捻子條區(qū)域進(jìn)行仿真細(xì)節(jié)建模，以得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

圖3 捻子條區(qū)幾何簡(jiǎn)化后應(yīng)力仿真分析結(jié)果

在復(fù)合材料仿真細(xì)節(jié)建模過程中，如何高效、快速劃分網(wǎng)格，是仿真分析過程中亟待解決的問題。有限元的前處理工作長(zhǎng)期停留在手工操作階段，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易出錯(cuò)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、編程技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對(duì)仿真建模效率要求的不斷提升，人們?cè)絹碓街匾暰W(wǎng)格自動(dòng)生成算法的研究。相關(guān)學(xué)者已提出了多種自動(dòng)程序的有限元網(wǎng)格生成算法。這些算法對(duì)任意復(fù)雜形狀區(qū)域的網(wǎng)格剖分魯棒性強(qiáng)，能盡可能地避免病態(tài)三角網(wǎng)格的出現(xiàn)。這些算法多是采用C、C++或C#等語言編制，或者基于這些語言的程序庫，算法復(fù)雜度大，約束條件多。目前復(fù)合材料建模多采用Abaqus 軟件，該軟件的二次開發(fā)腳本使用經(jīng)達(dá)索系統(tǒng)定制的Python 語言。若想利用已有算法實(shí)現(xiàn)捻子條區(qū)域的三角網(wǎng)格剖分，需用Python 語言重新編寫。

本文以Delaunay 三角網(wǎng)格劃分規(guī)范為基礎(chǔ)，利用捻?xiàng)l三角填充區(qū)近似對(duì)稱性的幾何特點(diǎn)，使用Abaqus的內(nèi)核腳本語言Python，重點(diǎn)開展工型/T 型等梁、長(zhǎng)桁以及帽型加筋壁板等復(fù)材結(jié)構(gòu)的三角填充區(qū)域的網(wǎng)格自動(dòng)劃分研究，探索和驗(yàn)證網(wǎng)格自動(dòng)劃分算法的可行性和可靠性。使用該算法劃分的三角網(wǎng)格質(zhì)量高，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，為后續(xù)工型/T 型等結(jié)構(gòu)的復(fù)材零件快速建模發(fā)揮了重要作用。

1 網(wǎng)格劃分基本思想

楊輝三角，又稱帕斯卡三角，它是一個(gè)無限對(duì)稱的數(shù)字金字塔，從頂部的1 開始，下面一行中的每個(gè)數(shù)字都是上面兩個(gè)數(shù)字之和。圖4 是楊輝三角形。從圖中可以看出，如果將上一行的數(shù)字與下一行緊鄰的兩個(gè)數(shù)字用直線順序相連，將構(gòu)成一個(gè)完美的等邊三角形。

圖4 楊輝三角形

針對(duì)某一區(qū)域的三角剖分問題，是指對(duì)有限平面（空間）點(diǎn)集內(nèi)的點(diǎn)，按一定的方式連接起來，成為互不交叉三角形網(wǎng)，通常情況要求劃分出的三角形網(wǎng)格應(yīng)盡量均勻，即避免出現(xiàn)狹長(zhǎng)的三角形。有限元網(wǎng)格生成技術(shù)的方法很多，但俄國(guó)數(shù)學(xué)家Delaunay 在1943 年證明：必定存在且僅存在一種剖分算法，能夠滿足“最大最小角”優(yōu)化準(zhǔn)則。即所有三角形的最小內(nèi)角之和最大，通常稱之為Delaunay 三角剖分。Delaunay 網(wǎng)格劃分規(guī)范廣泛應(yīng)用于有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成中，確保了網(wǎng)格中的三角形形狀處于可控狀態(tài)。

Delaunay 三角剖分算法保證了任意空間區(qū)域用三角形剖分的可靠性。但Delaunay 算法較為復(fù)雜，需要同時(shí)滿足多個(gè)附加條件。捻子條區(qū)域截面是曲邊三角形的異形截面，且具有對(duì)稱性。基于捻子條區(qū)域形狀特點(diǎn)，本文在Delaunay 算法規(guī)則的基礎(chǔ)上，采用楊輝三角模型的三角網(wǎng)格剖分方法，具有算法實(shí)現(xiàn)難度低、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

2 網(wǎng)格質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)格質(zhì)量是決定計(jì)算效率和計(jì)算精度的重要因素。很多情況在模擬計(jì)算過程中，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出單元質(zhì)量不合格的警告信息，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算中斷。因此，建立網(wǎng)格質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)于仿真分析具有重要的意義。

Abaqus 軟件針對(duì)二維三角形單元的主要質(zhì)量指標(biāo)包括兩種：

（1）單元的形狀因子表示單元的面積與該單元具有相同的外接圓半徑的等邊三角形的面積之比，形狀因子的取值范圍為0～1，值越大表明該單元的形狀越好。

（2）三角形單元縱橫比為各邊長(zhǎng)度與三角形各個(gè)邊上的高度的比值再乘以√3/2，如果比率小于1，則取倒數(shù)。取其中最大值作為單元的縱橫比。單元的形狀越不接近等邊三角形，縱橫比越大。縱橫比理想值等于1，通常該值不能超過8。

3 捻子條區(qū)域的曲邊三角形網(wǎng)格剖分算法

輸入：按順序輸入捻子條曲邊三角形各曲邊的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

輸出：捻子條區(qū)域的三角網(wǎng)格。

假定已經(jīng)由其他自動(dòng)化程序或手工完成了捻子條區(qū)域的曲邊三角形邊界點(diǎn)的定義，即確定了曲邊三角形各曲邊的節(jié)點(diǎn)編號(hào)順序以及相應(yīng)的坐標(biāo)值。本文采用的三角剖分算法如下：

（1）按照一定的順序依次讀入曲邊三角形的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。令曲邊三角形曲邊相交的頂點(diǎn)編號(hào)為0，向下依次編碼為1，2，3……

（2）在曲邊三角形的左曲邊與右曲邊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間，按照楊輝三角結(jié)構(gòu)形式布置等分節(jié)點(diǎn)；

（3）從編號(hào)為2 的節(jié)點(diǎn)開始，記錄該行及上一行（包括曲邊上的節(jié)點(diǎn)和等分節(jié)點(diǎn)）節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)內(nèi)角的大小余弦值，并記錄每個(gè)頂點(diǎn)的前相鄰節(jié)點(diǎn)和后相鄰節(jié)點(diǎn)；

（4）對(duì)內(nèi)角余弦值從大到小排列，求出最大內(nèi)角余弦值的頂點(diǎn)，記為A。將該頂點(diǎn)與它的前相鄰點(diǎn)（記為B）和后相鄰點(diǎn)（記為C）連接成三角形，并檢測(cè)ABC組成的三角形外接圓是否包含其他頂點(diǎn)，如果包含其他頂點(diǎn)，轉(zhuǎn)到步驟（5），否則轉(zhuǎn)到步驟（6）；

（5）取次大內(nèi)角余弦進(jìn)行判斷，按照步驟（4）重新計(jì)算；

（6）從子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去除頂點(diǎn)A，按照步驟（4）重新計(jì)算，直到節(jié)點(diǎn)數(shù)目只有3 個(gè)的時(shí)候停止，并將這3 個(gè)頂點(diǎn)連成三角形，從而結(jié)束曲邊三角形的三角剖分；

（7）最后將曲邊三角形曲邊相交的頂點(diǎn)、曲邊三角形左曲邊1 號(hào)節(jié)點(diǎn)和曲邊三角形的右曲邊1 號(hào)節(jié)點(diǎn)連接成三角形網(wǎng)格。

4 案例說明

為驗(yàn)證算法的正確性與可行性，本文應(yīng)用有限元分析軟件Abaqus 的二次開發(fā)語言Python 對(duì)算法給予實(shí)現(xiàn)，并使用工型長(zhǎng)桁三角空隙區(qū)域構(gòu)成的簡(jiǎn)單多邊形對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試。

同時(shí)為了評(píng)判網(wǎng)格劃分質(zhì)量，采用節(jié)點(diǎn)連元法，將曲邊三角形邊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成三角形單元。圖5是優(yōu)化前網(wǎng)格剖分結(jié)果。

圖5 優(yōu)化前網(wǎng)格剖分結(jié)果

優(yōu)化后網(wǎng)格自動(dòng)剖分試驗(yàn)結(jié)果見圖6～8。圖6 是捻子條區(qū)域初始節(jié)點(diǎn)，圖7 是自動(dòng)插入等分節(jié)點(diǎn)分布圖，圖8 是優(yōu)化后網(wǎng)格剖分結(jié)果。表1 是優(yōu)化前與優(yōu)化后捻子條區(qū)三角形網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)對(duì)比結(jié)果。

表1 優(yōu)化前與優(yōu)化后捻子條區(qū)三角形網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)對(duì)比結(jié)果

圖6 捻子條區(qū)域初始節(jié)點(diǎn)

圖7 自動(dòng)插入等分節(jié)點(diǎn)

圖8 優(yōu)化后網(wǎng)格剖分結(jié)果

5 結(jié)語

本文在研究Delaunay 三角網(wǎng)格劃分方法基礎(chǔ)上，將楊輝三角模型應(yīng)用到捻子條填充區(qū)的網(wǎng)格劃分中，從而實(shí)現(xiàn)三角形網(wǎng)格的高質(zhì)量劃分，并得出如下結(jié)論：

（1）捻子條區(qū)域內(nèi)是否增加節(jié)點(diǎn)會(huì)顯著影響R 區(qū)網(wǎng)格劃分質(zhì)量，當(dāng)將邊界上的節(jié)點(diǎn)直接相連創(chuàng)建三角形單元時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量差，形狀因子只有0.16，單元縱橫比超過了可接受值8，發(fā)出警告的單元數(shù)目占比為70.83%，超過一半以上網(wǎng)格單元質(zhì)量較差。

（2）通過在捻子條區(qū)域內(nèi)部適當(dāng)位置自動(dòng)增加一定數(shù)目節(jié)點(diǎn)，按照設(shè)定的三角形單元網(wǎng)格劃分準(zhǔn)則，可以剖分出單元質(zhì)量更好的三角形網(wǎng)格。形狀因子提升至0.56，單元縱橫比降至2.54，發(fā)出警告的單元數(shù)目占比也降至14.78%。單元質(zhì)量得到明顯改善。