一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法

1.本发明涉及预控破片战斗部有限元模型构造技术领域，具体涉及一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法。


背景技术：

2.高能束按照预定轨迹将扫描区域的局部材料迅速加热到融化状态，冷却后的局部材料内部会形成一定比例呈无序、随机分布状态的缺陷。高能束刻槽是预控破片成型技术的一种，研究结果表明，高能束扫描区域的材料经历受热、熔融、凝固等过程，组织和力学性能与原始材料相比发生显著变化，其根部会形成一定比例呈无序、随机分布状态的缺陷，并且这些随机缺陷是导致断裂发生的重要因素，所以在高能束预控弹体的数值仿真研究中，需要建立含有随机缺陷的弹体有限元模型。
3.按目前可行性评估，高能束预控弹体建模过程繁琐、时间周期长，无法实现预控区域中缺陷的表征工作，后续的数值仿真研究难以推进。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法，该构造方法可以根据预控弹体的结构参数快速、准确地建立预控弹体有限元模型，在预控区生成可控的随机缺陷，完成高能束预控弹体的缺陷表征工作。
5.本发明采用以下具体技术方案：
6.一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法，高能束预控弹体包括基体和预控区，该构造方法包括以下步骤：
7.通过truegrid软件建立高能束预控弹体的模型，对模型的基体和预控区分别赋予不同的材料号并划分网格，根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息；
8.提取网格模型文件中的节点数据和单元数据，根据材料号将单元数据分为基体单元数据和预控区单元数据；
9.按照预先设定的预控区中缺陷形成部位和缺陷占缺陷形成部位的体积比例，获取预控区中缺陷形成部位的单元数据和剩余的单元数据；
10.根据体积比例，随机删除缺陷形成部位的单元数据，得到缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据；
11.采用预控区中剩余的单元数据、缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据以及基体单元数据合并后的单元数据替换原始网格模型文件中的单元数据，形成符合要求的网格模型文件，得到带随机缺陷的高能束预控弹体的单元数据，完成带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型的构造。
12.更进一步地，通过truegrid软件建立高能束预控弹体的模型时，包括基体模型的建立和预控区模型的建立。
13.更进一步地，基体模型的建立过程具体包括以下步骤：
14.建立第一个破片网格模型；
15.计算出每一层破片的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层破片；
16.利用破片的层与层之间的破片区域宽度k、单个破片长度ppl和预控弹体长度l计算出破片层数nop以及移动距离dd，通过nop-1次复制和移动，每次移动的距离为dd，建立出完整的破片层；
17.采用复制、旋转、移动操作，建立出完整的基体其他区域，并将完整的基体其他区域与完整的破片层合并形成基体的有限元模型。
18.更进一步地，预控区模型的建立过程具体包括以下步骤：
19.建立第一个预控区网格模型；
20.计算出每一层预控区的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层预控区；
21.利用破片的层与层之间的预控区域宽度k、单个破片长度ppl和预控弹体长度l计算出预控区层数nop-1以及移动距离dd，通过nop-2次复制和移动，每次移动的距离为dd，建立出完整的预控区有限元模型。
22.更进一步地，随机删除缺陷形成部位的单元数据，具体包括：
23.将缺陷形成部位的单元数据从头到尾依次读取到向量vector，并将每条单元数据的存储顺序记录于向量vector中；
24.根据向量vector的容量和缺陷占缺陷形成部位的体积比例，使用真随机数生成器，生成一组随机数据1～n，遍历向量vector中的所有元素，依次判断每一行元素的存储顺序值与生成的真随机数值是否相等，如果相等则将该存储顺序值处的元素值删除，继续判断下一个元素，否则将该存储顺序值处的元素值输出到out.txt文件，直到将vector中所有符合条件的元素值输出，得到缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据。
25.有益效果：
26.1、本发明提出了一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法，该构造方法采用truegrid软件建立预控弹体的模型，通过输入预控弹体结构参数即可生成初始网格模型，根据预先设定的预控区中缺陷形成部位和缺陷占缺陷形成部位的体积比例随机删除缺陷形成部位的单元数据，得到带有随机缺陷的预控弹体模型；因此，可以根据预控弹体的结构参数快速、准确地建立预控弹体有限元模型，在预控区生成可控的随机缺陷，完成高能束预控弹体的缺陷表征工作，通过修改预控弹体的结构参数和缺陷比例系数可以快速建立不同结构需求的有限元模型，方便对带随机缺陷的高能束预控弹体进行建模，提高建模的效率和准确性。
27.2、本发明的构造方法在随机删除缺陷形成部位的单元数据时，引入真随机数，确保在数据处理中不引入任何系统性的偏差或误差，模拟高能束扫描弹体过后弹体预控区中生成的缺陷呈无序、随机分布状态，同时，通过生成真随机数的数量，可以有效的实现对缺陷所占预控区比例的控制，缺陷的生成过程随机、可控，提高了预控弹体的结构强度和破碎分析准确性。
附图说明
28.图1为预控弹体采用高能束的加工示意图；
29.图2为预控弹体的部分剖视结构示意图；
30.图3为预控弹体的弹体长度和单个破片长度示意图；
31.图4为预控弹体的预控深度和预控宽度示意图；
32.图5为预控弹体的预控轨迹示意图；
33.图6为基体的结构示意图；
34.图7为预控区的结构示意图；
35.图8为基体和预控区的组合结构示意图；
36.图9为随机删除缺陷形成部位的单元数据的流程图；
37.图10为带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法的流程图；
38.图11为带随机缺陷的预控区模型；
39.图12为带随机缺陷的高能束预控弹体模型；
40.图13为菱形预控弹体的预控区模型；
41.图14为菱形预控弹体模型。
42.其中，1-基体，2-预控区，3-缺陷，4-高能束，5-扫描区域，6-预控破片，11-基体第一区域，12-基体第二区域，13-基体第三区域，21-预控区第一区域，22-预控区第二区域，23-预控区第三区域
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.如图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例中提到的预控弹体由基体1和预控区2两部分组成，通过高能束4沿箭头方向对基体1的表面进行扫描，在基体1中形成预控区2，主要结构参数包括弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体长度l和单个破片长度ppl、预控深度kcsd和预控宽度k，预控弹体的预控轨迹如图5所示。
45.如图1结构所示，本实施例提供了一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法，高能束预控弹体包括基体1和预控区2，该构造方法包括以下步骤：
46.基于预控弹体的实际结构，通过truegrid软件建立高能束预控弹体的模型，对模型的基体1和预控区2分别赋予不同的材料号并划分网格，根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息；
47.提取网格模型文件中的节点数据和单元数据，根据材料号将单元数据分为基体单元数据和预控区单元数据；
48.按照预先设定的预控区中缺陷形成部位和缺陷3占缺陷形成部位的体积比例，获取预控区中缺陷形成部位的单元数据和剩余的单元数据；
49.根据体积比例，随机删除缺陷形成部位的单元数据，得到缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据；
50.采用预控区中剩余的单元数据、缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据以及基体单元数据合并后的单元数据替换原始网格模型文件中的单元数据，形成符合要求的网格模型文件，得到带随机缺陷的高能束预控弹体的单元数据，完成带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型的构造。
51.上述构造方法采用truegrid软件建立预控弹体的模型，通过输入预控弹体结构参数即可生成初始网格模型，根据预先设定的预控区中缺陷形成部位和缺陷占缺陷形成部位的体积比例随机删除缺陷形成部位的单元数据，得到带有随机缺陷的预控弹体模型；因此，可以根据预控弹体的结构参数快速、准确地建立预控弹体有限元模型，在预控区生成可控的随机缺陷，完成高能束预控弹体的缺陷表征工作，通过修改预控弹体的结构参数和缺陷比例系数可以快速建立不同结构需求的有限元模型，方便对带随机缺陷的高能束预控弹体进行建模，提高建模的效率和准确性。
52.一种具体的实施方式中，通过truegrid软件建立高能束预控弹体的模型时，包括基体模型的建立和预控区模型的建立，其中：
53.基体模型的建立过程具体包括以下步骤：
54.建立第一个破片网格模型；
55.计算出每一层破片的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层破片；
56.利用破片的层与层之间的破片区域宽度k、单个破片长度ppl和预控弹体长度l计算出破片层数nop以及移动距离dd，通过nop-1次复制和移动，每次移动的距离为dd，建立出完整的破片层；
57.采用复制、旋转、移动操作，建立出完整的基体其他区域，并将完整的基体其他区域与完整的破片层合并形成基体的有限元模型。
58.预控区模型的建立过程具体包括以下步骤：
59.建立第一个预控区网格模型；
60.计算出每一层预控区的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层预控区；
61.利用破片的层与层之间的预控区域宽度k、单个破片长度ppl和预控弹体长度l计算出预控区层数nop-1以及移动距离dd，通过nop-2次复制和移动，每次移动的距离为dd，建立出完整的预控区有限元模型。
62.在上述各种实施例中，随机删除缺陷形成部位的单元数据，具体包括：
63.将缺陷形成部位的单元数据从头到尾依次读取到向量vector，并将每条单元数据的存储顺序记录于向量vector中；
64.根据向量vector的容量和缺陷占缺陷形成部位的体积比例，使用真随机数生成器，生成一组随机数据1～n，遍历向量vector中的所有元素，依次判断每一行元素的存储顺序值与生成的真随机数值是否相等，如果相等则将该存储顺序值处的元素值删除，继续判断下一个元素，否则将该存储顺序值处的元素值输出到out.txt文件，直到将vector中所有符合条件的元素值输出，得到缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据。
65.上述构造方法在随机删除缺陷形成部位的单元数据时，引入真随机数，确保在数据处理中不引入任何系统性的偏差或误差，模拟高能束扫描弹体过后弹体预控区中生成的
缺陷呈无序、随机分布状态，同时，通过生成真随机数的数量，可以有效的实现对缺陷所占预控区比例的控制，缺陷的生成过程随机、可控，提高了预控弹体的结构强度和破碎分析准确性。
66.下面以高能束方形预控弹体建模为例，依据高能束能量密度，将缺陷设置于预控区自根部方向起1/3弹体壁厚位置处，缺陷占此区域的比例为20％；如图1所示，高能束4按照箭头方向的轨迹将扫描区域5的局部材料迅速加热到融化状态，冷却后的局部材料内部会形成一定比例呈无序、随机分布状态的缺陷，如空腔；将高能束预控弹体整体划分为未加热区域的基体1、加热区域的预控区2和加热区域的缺陷3三大部分；利用弹体为回旋体的结构特性，将弹体划分出一个完整的基础结构，通过复制、旋转、移动等功能实现整体建模；将基体划分为预控破片6、基体第一区域11、基体第二区域12、基体第三区域13共四个基础结构，如图6和图8所示；将预控区2划分为预控区第一区域21、预控区第二区域22、预控区第三区域23共三个基础结构，如图7和图8所示。
67.一、建立高能束预控弹体的基体过程如下：
68.1、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、单个破片长度ppl和单个破片的角度建立第一个破片网格模型；
69.2、利用单个预控区角度计算出每一层破片的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层破片；
70.(1)利用图2中所示单个破片角度和单个预控区的角度计算出单层破片个数npp：
[0071][0072]
(2)计算得到单个破片的旋转角度ag：
[0073][0074]
(3)使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建出第一层破片；
[0075]
3、利用图3所示的单个破片长度ppl、预控弹体长度l、图4所示的破片层与层之间的预控区域宽度k，计算出破片层数nop以及移动距离dd，使用nop-1次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的破片层；
[0076]
(1)计算破片层数nop：
[0077]
nop＝int[l+k/(ppl+k)]；
[0078]
(2)计算每层破片移动距离dd：
[0079]
dd＝ppl+k；
[0080]
4、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体预控深度kcsd、单个破片长度ppl和单个预控区角度建立第一个弹体基体第一区域网格模型；
[0081]
5、使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层弹体基体第一区域；
[0082]
6、使用nop-1次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的弹体基体第一区域；
[0083]
7、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体预控深度kcsd、预控区宽度k和单个预控破片角度建立第一个弹体基体第二区域网格模型；
[0084]
8、使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层弹体基体第二区域；
[0085]
9、使用nop-2次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的弹体基体第二区域；
[0086]
10、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体预控深度kcsd、预控区宽度k和单个预控区的角度建立第一个弹体基体第三区域网格模型；
[0087]
11、使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层弹体基体第三区域；
[0088]
12、使用nop-2次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的弹体基体第三区域；完整的弹体基体模型建立完成。
[0089]
二、建立高能束预控弹体的预控区过程如下：
[0090]
1、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体预控深度kcsd、单个破片长度ppl和单个预控区的角度建立第一个弹体预控区第一区域网格模型；
[0091]
2、使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层弹体预控区第一区域；
[0092]
3、使用nop-1次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的弹体预控区第一区域；
[0093]
4、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体预控深度kcsd、预控区宽度k和单个预控破片角度建立第一个弹体预控区第二区域网格模型；
[0094]
5、使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层弹体预控区第二区域；
[0095]
6、使用nop-2次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的弹体预控区第二区域；
[0096]
7、利用弹体内径d0、弹体壁厚d、弹体预控深度kcsd、预控区宽度k和单个预控区的角度建立第一个弹体预控区第三区域网格模型；
[0097]
8、使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层弹体预控区第三区域；
[0098]
9、使用nop-2次复制、移动功能，每次移动距离dd，建立出完整的预控区第三区域；完整的弹体预控区模型建立完成。
[0099]
三、弹体预控区生成随机缺陷过程如下：
[0100]
1、将得到的完整预控区网格模型按照有限元软件的格式要求输出节点和单元信息，并分别输出为node.txt文件和element_solid.txt文件；
[0101]
2、按照用户需求，以缺陷形成部位的数值作为判断条件，将node.txt文件区分并输出为符合判断条件的node1.txt文件和node2.txt文件；
[0102]
3、element_solid.txt文件中包含弹体基体单元数据和弹体预控区单元数据，根据建模过程中赋予的材料号不同，将element_solid.txt文件区分并输出为弹体预控区单元element_solid1.txt文件和弹体基体单元element_solid2.txt文件；将element_solid1.txt文件中的行数据中的节点数据按照node1.txt文件数据出现的有无将其区分并输出为预控区缺陷可能生成区域element1.txt数据文件和预控区缺陷不可能生成区域element2.txt数据文件；
[0103]
4、从预控区缺陷可能生成区域element1.txt文件中从头到尾依次读取数据到向量vector，每条单元数据的存储顺序也记录于向量vector中；根据向量vector的容量大小和缺陷所占预控区缺陷可能生成区域的比例，使用真随机数生成器，生成一组随机数据1～
n，遍历向量vector中的所有元素，依次判断每一行元素的存储顺序值与生成的真随机数值是否相等，如果两值相等，将该存储顺序值处的元素值删除，继续判断下一个元素，否则将该存储顺序值处的元素值输出到out.txt文件，直到将vector中所有符合条件的元素值输出；将out.txt文件与element2.txt文件合并为带随机缺陷的预控区单元element.txt数据文件。数据流程如图9和图10所示；带缺陷的预控区如图11所示；
[0104]
5、将上一步得到的带随机缺陷的预控区单元element.txt数据文件与弹体基体单元element_solid2.txt数据文件合并，得到带随机缺陷的高能束预控弹体模型，如图12所示。
[0105]
四、通过结构参数：弹体长度、弹体壁厚、单个破片长度、装药半径、预控深度、预控宽度建立出预控弹体的基体模型，并根据高能束能量密度，修改缺陷形成部位和缺陷占形成部位的比例值，建立出带随机缺陷的预控区，将弹体基体与处理后的预控区合并为完整的带随机缺陷的高能束预控弹体有限元模型。
[0106]
采用同样的步骤可以建立其他预控类型带随机缺陷的预控弹体模型，例如图13所示的菱形预控弹体预控区模型以及图14所示的弹体模型。
[0107]
在构造过程中，可以将上述构造方法全过程编制成truegrid和c++命令流。truegrid软件是一种既能进行交互式又能进行批处理的网格生成软件。在交互模式下，可以编辑脚本文件来生成参数化模型，高质量的参数化模型能够适应几何模型的修改，快速地重新生成新网格，从而节省许多建模时间。c++是一种功能强大、高效、灵活、可扩展的编程语言，适合用于开发各种类型的应用程序和系统。
[0108]
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法，高能束预控弹体包括基体和预控区，其特征在于，包括以下步骤：通过truegrid软件建立高能束预控弹体的模型，对模型的基体和预控区分别赋予不同的材料号并划分网格，根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息；提取网格模型文件中的节点数据和单元数据，根据材料号将单元数据分为基体单元数据和预控区单元数据；按照预先设定的预控区中缺陷形成部位和缺陷占缺陷形成部位的体积比例，获取预控区中缺陷形成部位的单元数据和剩余的单元数据；根据体积比例，随机删除缺陷形成部位的单元数据，得到缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据；采用预控区中剩余的单元数据、缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据以及基体单元数据合并后的单元数据替换原始网格模型文件中的单元数据，形成符合要求的网格模型文件，得到带随机缺陷的高能束预控弹体的单元数据，完成带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型的构造。2.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，通过truegrid软件建立高能束预控弹体的模型时，包括基体模型的建立和预控区模型的建立。3.如权利要求2所述的构造方法，其特征在于，基体模型的建立过程具体包括以下步骤：建立第一个破片网格模型；计算出每一层破片的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层破片；利用破片的层与层之间的破片区域宽度k、单个破片长度ppl和预控弹体长度l计算出破片层数nop以及移动距离dd，通过nop-1次复制和移动，每次移动的距离为dd，建立出完整的破片层；采用复制、旋转、移动操作，建立出完整的基体其他区域，并将完整的基体其他区域与完整的破片层合并形成基体的有限元模型。4.如权利要求3所述的构造方法，其特征在于，预控区模型的建立过程具体包括以下步骤：建立第一个预控区网格模型；计算出每一层预控区的个数npp和旋转角度ag，使用npp-1次复制功能，每次旋转角度ag建立出第一层预控区；利用破片的层与层之间的预控区域宽度k、单个破片长度ppl和预控弹体长度l计算出预控区层数nop-1以及移动距离dd，通过nop-2次复制和移动，每次移动的距离为dd，建立出完整的预控区有限元模型。5.如权利要求1-4中任意一项所述的构造方法，其特征在于，随机删除缺陷形成部位的单元数据，具体包括：将缺陷形成部位的单元数据从头到尾依次读取到向量vector，并将每条单元数据的存储顺序记录于向量vector中；根据向量vector的容量和缺陷占缺陷形成部位的体积比例，使用真随机数生成器，生
成一组随机数据1～n，遍历向量vector中的所有元素，依次判断每一行元素的存储顺序值与生成的真随机数值是否相等，如果相等则将该存储顺序值处的元素值删除，继续判断下一个元素，否则将该存储顺序值处的元素值输出到out.txt文件，直到将vector中所有符合条件的元素值输出，得到缺陷形成部位中删除缺陷后的单元数据。

技术总结
本发明公开了一种带随机缺陷的高能束预控弹体数字化模型构造方法，该构造方法包括：通过TrueGrid软件建立高能束预控弹体的模型，根据有限元软件的格式要求输出网格的节点和单元信息；提取网格模型文件中的节点数据和单元数据，将单元数据分为基体单元数据和预控区单元数据；按照预先设定的预控区中缺陷形成部位和缺陷占缺陷形成部位的体积比例，获取预控区中缺陷形成部位的单元数据和剩余的单元数据；随机删除缺陷形成部位的单元数据；通过数据合并形成符合要求的网格模型文件，得到带随机缺陷的高能束预控弹体的单元数据。上述构造方法可以在预控区生成可控的随机缺陷，完成高能束预控弹体的缺陷表征工作。能束预控弹体的缺陷表征工作。能束预控弹体的缺陷表征工作。


技术研发人员：李梅 周鑫 蒋建伟 门建兵 王树有 刘世昱 孟启飞
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/12