基于AutoCAD的有限元网格半自动剖分.doc

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基于AutoCAD的有限元网格半自动剖分
1问题的提出有限元方法是一种解决复杂工程实际问题的有效手段，广泛应用在土木建筑、航空航天、铁道隧洞，水利工程等各个领域中。然而，对于有成千上万个自由度的复杂结构，使前处理技术成为有限元技术应用的瓶颈。近年来，许多科研人员致力于自动网格的生成，取得了卓有成效的进展。基于Delaunay的三角化的自由网格生成方法是较为成熟的方法，但不足的是只能生成三角形单元，影响有限元的精度。四边形技术有：一类以任意三角形网格为基础，通过Zienkiewicz1方法，形成三角形、四边形共存的网格，显然不易作为一种好网格，另一类则直接生成四边形单元，如Paving2方法，模板法3等，然而过多的限制条件影响了通用性。尽管以上的方法能满足一些较为简单的结构设计，然而这些软件尚不成熟，生成的网格仍难以广泛应用，重要的是无法满足大型复杂结构的设计，尤其针对大型及特大型的地下厂房和隧洞中，地形、地貌、地质、地下水、混凝土支护、锚索、开挖顺序以及厂房中主要结构的优化布置等诸多因素，同时对于大型调压室中还需要考虑机组负荷变化引起的水位变化，已经完全制约了网格自动剖分的发挥。为了工程的需要，设计人员不得不重新回到手工作图的初始状态。本文采用AutoCAD进行网格半自动剖分，然后利用DXF文件完成高级语言与AutoCAD的接口，索取图形的基本数据，利用高级语言处理后，得到所需要的有限元数据。与此同时，利用AutoLISP语言进行图形显示，初步完成前处理的主要数据的提取任务。这样就满足了工程需要，保证了网格剖分的科学性和准确性，方便了网格的检查与修改，加快了有限元分析的周期，不失为一种实用、高效的前处理方法。有效地解决了CAD图形与有限元网格数据转换之间的矛盾，将AutoCAD系统和有限元计算程序有机地结合。2AutoCAD图形的数据化方法2.1结构的半自动离散及DXF文件利用AutoCAD4进行网格剖分仅需要完成主要结构的网格细分，对于占多数区域的其它部分完全可以通过AutoCAD强大的编辑功能实现结构的半自动离散，极大地加快了结构的离散过程，而且在结构的离散过程中远远超过了绝大多数自动剖分软件对边界条件的限制，尤其是极大的方便了工程界的需要，为有限元的主体计算打下了良好的基础。利用DXF图形"接口"文件，用户可以实现图形与高级语言程序之间的数据交换。DXF图形文件中的实体段包含着绘制有限元网格时所形成的线段信息。直线LINE用组代码10、20、30代表起始点(X1，Y1，Z1)，组值为该点的坐标；用组代码11、21、31来说明终点(X2，Y2，Z2)，组值为该点的坐标。使用DXFOUT命令即可形成DXF图形文件。2.2图形数据的处理方法2.2.1数据分析我们仅需要绘制六条线段，即AB,BC,CD,DA,EF和GH就能形成四个单元。因此，在DXF文件中，所能够获取的信息就只有六条线段和八个点。在有限元计算中，为了形成四个单元，我们需要有12条线段（AH，HB，BF，FC，CG，GD，DE，EA，EK，KF，GK，KH），9个节点（A，B，C，D，E，F，G，H，K）。所以，AutoCAD中绘制的线段所获取的信息，无法自动形成有限元计算所需要的线段，不能构成有限元结构计算的拓扑信息。2.2.2打破网格为了获取有限元所需要的独立线段，必须要把相连接的线段截断，成为独立的线段，即打破网格。分析平面内两条线段的相对位置，排除线段的平行情况后，我们发现线段的虚交（两线段的沿长线有交点）情况不能影响有限元的单元构成，对于其它的线段相交进行研究和分析，总结出线段相交的三种联接方式。为方便计，我们称由DXF文件所获取线段信息中的起点和终点均为有效点。对于任意线段AB和线段CD，设交点为P。根据点P与点A，B，C，D的相对位置来划分为三种不同情况分别处理，最终将把由AutoCAD绘制的网格图"打破"为有限元所需要的结构离散图。1.完全铰接…点P与相交线段中的两个有效点相重合；线段和节点数目没有增加，不再另行处理。2.滚动铰接…点P仅与相交线段中的一个有效点相重合；线段AB被点P划分为线段AP和PB。将线段的数目增加一条，节点的数目不变。3.固定端…点P与相交线段中的有效点无一重合；线段AB和CD被点P划分为四条线段AP，PB，CP和PD。将线段的数目增加二条，节点的数目增加一个。2.3.3相关线分析----单元的构成当得到结构离散图时，为了对单元的构成进行搜索和判断，引进相关线的概念。对于任