申请/专利权人：上海海事大学

申请日：2018-10-24

公开（公告）日：2019-03-12

公开（公告）号：CN109460590A

主分类号：G06F17/50(2006.01)I

分类号：G06F17/50(2006.01)I

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.04.07#授权;2019.04.05#实质审查的生效;2019.03.12#公开

摘要：一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，至少包括如下步骤：1基本建模过程，建立模型A和模型B；2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；5生成并编辑*.inp文件；6创建作业，提交计算。本发明在建立昆虫翅膀整体结构模型时，考虑到了细节设置，尤其是翅脉之间的连接方式的多样性。

主权项：1.一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，至少包括如下步骤：1基本建模过程，建立模型A和模型B；2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；5生成并编辑*.inp文件；6创建作业，提交计算。

全文数据：一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法技术领域本发明涉及一种有限元建模方法，具体涉及一种含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法。背景技术昆虫翅膀轻薄却具有极好的结构性能。传统的建模方法或通过扫描图像将翅膀视作一个整体结构，缺乏细节的设置，如忽略翅脉之间的连接方式的多样性，全部固结处理。这种方式忽略翅脉节点处分布的具有高弹性的节肢弹性蛋白这一事实，不能准确模拟翅膀整体的刚度等力学性能。发明内容为了解决现有技术问题，本发明提供一种用于含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，至少包括如下步骤：1基本建模过程，建立模型A和模型B；2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；5生成并编辑*.inp文件；6创建作业，提交计算。在一些实施方式中，所述步骤1中，建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。在一些实施方式中，所述步骤2中，对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。在一些实施方式中，所述步骤3中，定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。在一些实施方式中，所述步骤3中，选择模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。在一些实施方式中，所述步骤4中，定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。在一些实施方式中，所述输出变量至少包括位移和应力。在一些实施方式中，所述步骤5中，在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉上梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。在一些实施方式中，对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。在一些实施方式中，所述步骤6中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。本发明不仅将昆虫翅膀视作一个整体结构，也考虑到了细节设置，尤其是翅脉之间的连接方式的多样性。并不像现有技术那样全部采用固结处理。本发明尤其考虑到了节肢弹性蛋白的影响，并在建模过程中通过释放节点翅脉的转动自由度进行准确模拟。附图说明图1为本发明建模方法流程示意图；图2为翅脉梁单元的连接示意图；图3为梁单元方向示意图。具体实施方式本发明建模方法的流程示意图如图1所示。本发明提供一种用于含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，至少包括如下步骤：1基本建模过程，建立模型A和模型B；2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；5生成并编辑*.inp文件；6创建作业，提交计算。在一些实施方式中，所述步骤1中，建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。在一些实施方式中，所述步骤2中，对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。在一些实施方式中，所述步骤3中，定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。在一些实施方式中，所述步骤3中，选择模型A的表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。在一些实施方式中，所述步骤4中，定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。在一些实施方式中，所述输出变量至少包括位移和应力。在一些实施方式中，所述步骤5中，在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉上梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。在一些实施方式中，对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。在一些实施方式中，所述步骤6中，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。发明人在有限元建模研究中首次对昆虫翅膀上的柔性翅脉节点进行考虑，克服了现有技术不能准确模拟翅膀整体刚度和局部变形等力学性能的缺点。昆虫翅脉节点处分布的节肢弹性蛋白具有低模量、高弹性，其模拟过程存在技术困难。发明人经过长期的研究发现，通过修改有限元软件Abaqus中的模型文件*.inp文件，释放翅脉节点处横脉的转动自由度，能够实现翅翼翅脉柔性节点的设置。此外，发明人还预料不到地发现，基于Abaqus软件，建模完成后，对输出的*.inp文件进行编辑，不仅能够实现在有限元建模过程中对翅脉节点处的节肢弹性蛋白进行模拟，起到软化翅脉节点处的刚度，同时，也能够准确描述翅膀的整体刚度及变形性能。在本发明中，发明人对横脉梁单元1和2与纵脉梁单元的连接方式进行了设置。发明人发现在翅脉节点处有四条翅脉连接，如图2。网格划分完成后，编号1、2的单元为横脉梁单元，编号3、4的单元为纵脉梁单元。对于昆虫翅膀，节肢弹性蛋白分布在纵脉梁单元两侧、与横脉梁单元连接处。以横脉梁单元1为例进行说明，单元横截面的三个截面方向矢量n1，n2和t的指向如图3，其中t为梁单元的第一个节点S1到下一个节点S2的矢量。发明人发现该根横脉在节点处通过横脉梁单元节点S2与纵脉相连接。该梁单元对三个截面方向矢量n1，n2和t的转动自由度分别记为M1，M2和T。从本发明所述的昆虫翅膀结构特征的角度考虑，在该节点处解除对横脉梁单元1的转动自由度M2的约束，允许该根横脉在此处绕纵脉产生转动。发明人在相应的*.inp文件中的*EndPart命令之前添加如下关键词：*release，1，S2，M2，释放梁单元1对截面方向矢量n2的转动自由度，从而实现对该节点刚度的设置。在本发明的一些实施方式中，所述昆虫选自鞘翅目昆虫、革翅目昆虫、双翅目昆虫、半翅目昆虫、同翅目昆虫、膜翅目昆虫、等翅目昆虫、鳞翅目昆虫、脉翅目昆虫、直翅目昆虫、蜻蜓目昆虫中的一种。实施例1如图1，一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，包括如下步骤：1基本建模，建立模型A和模型B。建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体。对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C。定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。选择模型A的上表面或下表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格。定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。5生成并编辑*.inp文件。在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。6在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。如图2，对横脉梁单元1和2与纵脉梁单元的连接方式进行了设置。网格划分完成后，编号1、2的单元为横脉梁单元，编号3、4的单元为纵脉梁单元。以横脉梁单元1为例进行说明，单元横截面的三个截面方向矢量n1，n2和t的指向如图3，其中t为梁单元的第一个节点S1到下一个节点S2的矢量。该根横脉在节点处通过横脉梁单元节点S2与纵脉相连接。该梁单元对三个截面方向矢量n1，n2和t的转动自由度分别记为M1，M2和T。在该节点处解除对横脉梁单元1的转动自由度M2的约束，允许该根横脉在此处绕纵脉产生转动。相应的*.inp文件中的*EndPart命令之前添加如下关键词：*release，1，S2，M2，释放梁单元1对截面方向矢量n2的转动自由度，从而实现对该节点刚度的设置。编辑*.inp完成之后，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。所述昆虫为蜻蜓目昆虫蜻蜓。实施例2如图1，一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，包括如下步骤：1基本建模，建立模型A和模型B。建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体。对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C。定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。选择模型A的上表面或下表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。4定义分析步，C设置边界条件、施加载荷、划分网格。定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。5生成并编辑*.inp文件。在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。6在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。如图2，对横脉梁单元1和2与纵脉梁单元的连接方式进行了设置。网格划分完成后，编号1、2的单元为横脉梁单元，编号3、4的单元为纵脉梁单元。以横脉梁单元1为例进行说明，单元横截面的三个截面方向矢量n1，n2和t的指向如图3，其中t为梁单元的第一个节点S1到下一个节点S2的矢量。该根横脉在节点处通过横脉梁单元节点S2与纵脉相连接。该梁单元对三个截面方向矢量n1，n2和t的转动自由度分别记为M1，M2和T。在该节点处解除对横脉梁单元1的转动自由度M2的约束，允许该根横脉在此处绕纵脉产生转动。相应的*.inp文件中的*EndPart命令之前添加如下关键词：*release，1，S2，M2，释放梁单元1对截面方向矢量n2的转动自由度，从而实现对该节点刚度的设置。编辑*.inp完成之后，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。所述昆虫为膜翅目昆虫蜜蜂。实施例3如图1，一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，包括如下步骤：1基本建模，建立模型A和模型B。建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体。对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C。定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。选择模型A的上表面或下表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格。定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。5生成并编辑*.inp文件。在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。6在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。如图2，对横脉梁单元1和2与纵脉梁单元的连接方式进行了设置。网格划分完成后，编号1、2的单元为横脉梁单元，编号3、4的单元为纵脉梁单元。以横脉梁单元1为例进行说明，单元横截面的三个截面方向矢量n1，n2和t的指向如图3，其中t为梁单元的第一个节点S1到下一个节点S2的矢量。该根横脉在节点处通过横脉梁单元节点S2与纵脉相连接。该梁单元对三个截面方向矢量n1，n2和t的转动自由度分别记为M1，M2和T。在该节点处解除对横脉梁单元1的转动自由度M2的约束，允许该根横脉在此处绕纵脉产生转动。相应的*.inp文件中的*EndPart命令之前添加如下关键词：*release，1，S2，M2，释放梁单元1对截面方向矢量n2的转动自由度，从而实现对该节点刚度的设置。编辑*.inp完成之后，在Abaqus的作业管理器中，创建作业直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。所述昆虫为鳞翅目昆虫蝶。实施例4如图1，一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，包括如下步骤：1基本建模，建立模型A和模型B。建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体。对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C。定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。选择模型A的上表面或下表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格。定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。5生成并编辑*.inp文件。在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。6在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。如图2，对横脉梁单元1和2与纵脉梁单元的连接方式进行了设置。网格划分完成后，编号1、2的单元为横脉梁单元，编号3、4的单元为纵脉梁单元。以横脉梁单元1为例进行说明，单元横截面的三个截面方向矢量n1，n2和t的指向如图3，其中t为梁单元的第一个节点S1到下一个节点S2的矢量。该根横脉在节点处通过横脉梁单元节点S2与纵脉相连接。该梁单元对三个截面方向矢量n1，n2和t的转动自由度分别记为M1，M2和T。在该节点处解除对横脉梁单元1的转动自由度M2的约束，允许该根横脉在此处绕纵脉产生转动。相应的*.inp文件中的*EndPart命令之前添加如下关键词：*release，1，S2，M2，释放梁单元1对截面方向矢量n2的转动自由度，从而实现对该节点刚度的设置。编辑*.inp完成之后，在Abaqus的作业管理器中，创建作业，直接读取新的*.inp文件，提交计算即可。所述昆虫为鳞翅目昆虫蛾。

权利要求：1.一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，至少包括如下步骤：1基本建模过程，建立模型A和模型B；2赋予部件截面性质、材料参数，创建装配体；3设置约束条件，绑定模型A和模型B为模型C；4定义分析步，设置边界条件、施加载荷、划分网格；5生成并编辑*.inp文件；6创建作业，提交计算。2.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤1包括，建立模型A：翅脉，通过扫描获得的昆虫翅膀的图像，经AutoCAD软件处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-wire类型的部件；建立模型B：翅膜，通过扫描获得的翅膀图片，经AutoCAD处理后导入Abaqus软件，创建3D-deformable-shell类型的部件。3.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤2中，对于模型A，赋予环状截面，并设置内径和厚度；对于模型B，赋予均匀厚度壳截面，设置厚度。4.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤3中，定义绑定约束类型，限制模型A和模型B之间的相对位移和转动。5.如权利要求4所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤3中，选择模型A的上表面或下表面为主控面，模型B所有节点所在平面为从属表面，设置二者之间的容差值，离散方式选择点对面的方式。6.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤4中，定义分析步并设置输出变量，所述输出变量包括位移和应力。翅膀根部为固定端边界条件，根据具体情况施加载荷，如压强、集中力等。对于模型A设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用Timoshenko梁单元或对细长构件更为有效的Euler-Bernoulli梁单元模拟；对于模型B设置单元尺寸后，利用结构化网格划分技术，应用通用目的general-purpose的壳单元或对薄壳构件更为有效的薄壳单元模拟。7.如权利要求6所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述输出变量至少包括位移和应力。8.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤5包括，在作业管理器中，通过writeinput命令生成包含该模型全部信息的*.inp文件；对照昆虫翅膀上柔性翅脉节点的分布，查找需要进行设置的节点位置及该处翅脉梁单元的编号、梁单元节点编号和对应的自由度。9.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，对于各处翅脉节点，均按照步骤5进行设置。10.如权利要求1所述的含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法，其特征在于，所述步骤6包括，编辑*.inp完成之后，在Abaqus的作业管理器中，直接读取新的*.inp文件，提交计算，即可。

百度查询： 上海海事大学 一种新型含柔性翅脉节点的昆虫翅膀有限元建模方法

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