一种复杂壳体结构的参数化设计方法与流程

1.本发明涉及结构设计技术，特别涉及一种复杂壳体结构剖面的参数化设计方法。


背景技术：

2.壳体结构具有轻量化和高强度的特点，直接影响着复杂结构的结构强度、动力学特性等性能。因此，开展复杂壳体结构设计的研究对通用壳体结构的发展与提高具有非常重要的意义与价值。复杂壳体结构设计通常包括多个流程且同时涵盖几何建模、结构力学、动力学、噪声、振动等多个学科，每个学科还包含多个分支，尤其在复杂壳体结构中的应用，使得设计过程更为复杂和繁琐。因此，复杂壳体结构设计过程是一种技术密集度高、涉及学科面广的复杂工程问题。然而长期以来，传统壳体结构的设计方法逐步暴露出设计效率低、精度差、应用的技术方法和手段落后以及忽视工程系统中各学科之间的耦合效应等问题。此外，目前我国迫切地需要打通数字化研制体系，这对复杂壳体结构设计过程又提出了更高的要求。因此，开展对复杂壳体结构的数字化设计研究具有重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的是：开展复杂壳体结构设计的研究。
4.为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过对复杂壳体结构设计分析，建立材料特征数据库，在材料特征数据库中，每一种材料有唯一的编号，外部程序经由该编号调用相应材料的材料特征；步骤2、通过对复杂壳体结构各组件结构进行分析和归纳，针对复杂壳体结构各组件结构特点，对每个组件结构建立以定义方式构成的整体参数化数据结构，整体参数化数据结构至少包括以对应结构材料参数数据构成的材料参数和以每个剖面或层数据指针构成的结构参数，其中：材料参数数据链接材料特征数据库调用相应的材料特征，材料参数数据结构包括材料名称和材料类型；剖面或层数据指针指向下一级每个剖面或层具体参数数据；步骤3、每个组件结构所对应的整体参数化数据封装成对象的形式，并根据剖面或层数据指针指向的指向关系形成树形结构；最后所有组件结构形成以剖面描述为中心的复杂壳体结构设计体系。
5.优选地，所述整体参数化数据结构中的所述结构参数是根据复杂壳体结构各组件的结构几何特点和构成原理，通过整体外形定义、分层定义或多剖面定义方式来实现复杂壳体结构各类组件结构的结构参数化。
6.优选地，所述复杂壳体结构中包含了承力组件结构，承力组件结构整体外形定义的几何信息的参数化定义通过分段描述实现，各段的描述是由各段起点剖面和终点剖面几何参数来表示，对于各段之间剖面的几何参数则通过起点和终点剖面几何参数进行线性或曲线插值获得。
7.优选地，所述承力组件结构的整体参数化数据结构包括一层整体数据表以及一层是剖面数据表，整体数据表包括材料属性、工艺属性和结构几何数据，其中，结构几何数据存储的是承力组件结构的剖面数据指针，这些剖面数据指针指向其对应的承力组件结构剖面数据结构，该剖面数据结构包括剖面位置x、中间点数m、厚度h以及几何外形参数{y1,h1},{y2,h2},
…
, {ym,hm}，其中，h=max(h1,h2,
…
,hm)，ym表示第m点的y方向坐标，hm表示第m点的h方向坐标，其中，x方向和y方向与厚度h方向呈右手坐标系，x方向指向剖面所在平面面法向。
8.优选地，所述复杂壳体结构中包含了支撑组件结构，多个支撑组件结构组件之间连接在一起使复杂壳体结构剖面形成多闭室结构，支撑组件结构的剖面外形依据实际功能具有多种类型，对支撑组件结构整体外形定义的几何描述通过多剖面定义方式来实现，通过给出整体外形定义的起点剖面和终点剖面以及中间剖面的几何参数实现整体外形定义的参数化定义。
9.优选地，所述支撑组件结构的整体参数化数据结构包括一层整体支撑组件数据表、一层单个支撑组件结构数据表以及一层支撑组件的剖面数据表，其中，整体支撑组件数据表用于存放指向构成复杂壳体结构的各个支撑组件结构的数据指针；单个支撑组件结构数据表用于存放每个支撑组件结构的材料属性、工艺属性和结构几何数据，结构几何数据存放支撑组件结构的各剖面数据指针，这些剖面数据指针指向其对应的支撑组件结构剖面数据结构，该剖面数据结构包括剖面位置x、中间点数m、厚度h以及几何外形参数{y1,h1},{y2,h2},
…
, {ym,hm}。
10.优选地，所述复杂壳体结构中包含了表面壳结构，对表面壳结构的参数化定义是通过对表面壳结构分层定义实现的。
11.优选地，所述表面壳结构的整体参数化数据结构包括一层表面壳结构的整体数据表以及一层铺层数据，其中，整体数据表用于存放指向不同铺层数据的指针；铺层数据包括各铺层的材料属性和结构几何属性，材料属性包括材料型号、固定点数、厚度、铺层角度以及铺层坐标，结构几何属性为{y1,h1,θ1},{y2,h2,θ2},
…
,{ym,hm,θm}，θm表示第m个铺层的相对旋转角度。
12.优选地，所述复杂壳体结构中所有组件结构确定后，复杂壳体结构内的剩余空间均为填充物，填充物不需要进行结构尺寸定义；支撑组件结构将复杂壳体结构内的空间分割成多块，填充物的数目比支撑组件结构的数目多1个，各块填充物根据不同材料进行材料名称和类型的定义。
13.优选地，所述填充物的整体参数化数据结构一层整体填充物数据表以及一层填充物数据表，其中，整体填充物数据表中按照各块填充物在复杂壳体结构剖面位置存放指向各块填充物数据的数据指针，填充物数据表用于存放填充物材料的名称、类型以及注释内容。
14.本发明根据复杂壳体结构各组件的几何外形特点及其构成，并综合考虑以数字化样机和特征建模为技术特征的产品数字化研制体系的需要，提出了精确反映复杂壳体结构组件真实结构外形的整体参数化定义设计方法。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明为复杂壳体结构参数化设计方法，对复杂壳体结构的各类组件依据其结构几何特点制定相应的整体参数化定义，不仅实
现复杂壳体结构各类组件几何外形的整体参数化描述，而且在几何外形参数化定义的基础上引入材料、加工工艺等信息，提出一套具有通用性的对复杂壳体结构全组件数据结构的表达机制，使其不但能够便捷地提供复杂壳体结构几何建模及结构分析所需数据，还能为复杂壳体结构的加工制造提供相关数据信息，并研发智能向导的复杂壳体结构组件定义模块，引导用户以简便直观的交互方式实现对各组件的定义。从而大大提高了复杂壳体结构结构设计的准确度和高效性。
附图说明
16.图1为本发明以剖面描述为核心的复杂壳体结构示意图；图2为本发明整体复杂壳体结构的参数化数据结构示意图；图3为本发明结构a剖面结构示意图；图4a及图4b为本发明结构a剖面数据结构示意图；图5为本发明结构b剖面结构示意图；图6a及图6b为本发明结构b剖面数据结构示意图；图7为本发明结构c剖面结构示意图；图8为本发明结构c剖面数据结构示意图；图9为本发明填充物剖面结构示意图；图10为本发明填充物剖面数据结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
18.本实施例公开了一种复杂壳体结构的参数化设计方法，首先通过对复杂壳体结构各组件结构进行分析和归纳建立材料特征数据库；然后通过对复杂壳体结构各组件结构进行分析和归纳，分别针对复杂壳体结构各组件结构特点，提出相应的整体参数化定义方法，并建立相应的数据结构，用来描述各剖面组件的构成、组件材料以及各剖面尺寸参数等内容，并形成以剖面描述为中心的复杂壳体结构结构设计体系，如图1所示。该过程中，所有的数据都被封装成对象的形式，并形成树形结构，每个对象都有自己操纵集合的方法和属性，如添加( add)、删除(remove) 、获取子项(item) 方法和数量(count) 属性等，这样就可以通过根对象逐层对所有其他对象进行访问。主要通过编程语言来访问自动化对象服务器，来进行对象的连接与嵌入等操作。
19.1、参数化复杂壳体结构的数据库复杂壳体结构是由多组件构成的一个整体，因此实现复杂壳体结构的整体结构定义，需要对构成它的各类组件进行定义。对于各类组件的定义，考虑到在复杂壳体结构的各个结构组件建模、材料加工制造等过程需要给出结构的几何参数，在某些结构分析计算过程中需要给定材料的性能参数，例如计算复杂壳体结构重量时需要引入材料的密度、静强度分析时需要用到各组件材料的静弹性（如拉伸模量、剪切模量等）及静机械特性（如压应
力极限、拉应力极限等），因此复杂壳体的参数化数据结构主要由两部分构成：一部分是复杂壳体结构组件的几何外形参数；另一部分则是复杂壳体结构组件的材料属性。本发明建立的参数化复杂壳体数据结构如图2所示。
20.本发明基于复杂壳体结构分析设计的具体现状，建立材料特征数据库，定义材料模型数据卡并保存，以备后续分析过程中相关功能模块调用。可调用的材料参数根据分析目标的类型有所区别：例如，对于静载荷分析，可提取弹性模量、拉伸强度、屈服强度等；对于疲劳载荷分析，可提取材料库的疲劳强度等。为便于程序识别和调用，对每一种材料定义唯一的编号。
21.材料特征数据库具有可扩展性，用户可以根据需要，添加或删除材料名称、类型和属性等。另外，用户也可基于材料特征数据库，直接调用材料特征数据库中的已有数据，并在此基础上定制用户自有的材料并在材料特征数据库中保存成新的材料。
22.2、各类组件的结构参数化根据复杂壳体结构各组件的结构几何特点和构成原理，通过整体外形定义、分层定义以及多剖面定义等多种方式来实现复杂壳体结构各类组件的结构参数化。下面分别对复杂壳体结构各类组件进行分析讨论，并实现各类组件的结构参数化。
23.2.1、结构a结构a是复杂壳体结构的主要承力部件，本发明中对结构a几何信息的参数化定义通过分段描述实现。各段的描述是由各段起点剖面和终点剖面几何参数来表示，对于各段之间剖面的几何参数则通过起点和终点剖面几何参数进行线性或曲线插值获得。
24.如图3所示，结构a剖面结构通过几何的参数化定义实现。结构a剖面由轮廓节点拟合的轮廓线（0～pm）构成。本发明中结构a数据结构如图4a及图4b所示。它分为两层：一层是结构a整体数据表，另一层是剖面数据表。整体数据表主要包含材料属性和结构几何数据。结构几何数据存储的是结构a剖面数据指针，这些指针指向其对应的结构a剖面数据结构。
25.2.2、结构b结构b主要起到支撑和部分承力作用，复杂壳体结构一般多个结构b。结构b与结构c之间、前后结构b与结构c之间的连接使复杂壳体结构剖面形成多闭室结构，从而提高复杂壳体结构的结构强度及刚度。结构b如图5所示。对结构b的几何描述同样可以通过多剖面定义方式来实现。通过给出结构b的起点剖面和终点剖面以及中间剖面的几何参数实现结构b的参数化定义。需要指出，结构b的几何端点是依附在结构a上的，故而在结构b的几何端点上，一定要求安排结构a的轮廓节点。
26.结构b的数据结构如图6a及图6b所示。由于同时会有多个结构b存在，因此相比结构a的数据结构，它多出了一层整体结构。第一层为整体结构b数据表，存放构成复杂壳体结构的各个结构b的数据指针；第二层为单个结构b数据表，存放各个结构b的材料属性、工艺属性和结构几何数据。结构b几何数据存放结构b的剖面数据指针；第三层则是结构b的剖面数据表，它存放结构b各剖面参数，与结构a相似，第三层指针的数据为单个结构b的几何轮廓插值点。
27.2.3、结构c结构c可由一层或多层铺层按照总体结构铺叠而成，如图7所示，其固定于结构a两端和结构b上。本发明对结构c的定义是通过对构成结构c的各铺层分层进行定义来实现的。
通过设定铺层的类型、铺层的几何参数以及材料属性来确定复杂壳体结构的完整铺层结构。各向同性的材料一般只考虑材料本身属性，各向异性材料还需考虑铺层厚度、铺放角度等。结构c的数据结构如图8所示，由两层构成。第一层为结构c的整体数据，指针对应着不同铺层的结构c。第二层为铺层数据，包含着各铺层的材料属性和结构几何属性。
28.2.4、填充物在以上组件尺寸确定之后，复杂壳体结构内的剩余空间都为填充物，因此对于填充物不需要进行结构尺寸定义。因为结构b将复杂壳体结构内的空间分割成多块，所以填充物的数目要比结构b的数目多1个。此外，各块填充物可能由不同材料构成，因此需要对各块填充物进行材料名称和类型的定义。填充物的数据结构如图9所示。它由两张表构成，一个是整体填充物数据表，另一个为填充物数据表。前者按填充物在复杂壳体结构剖面存放各填充物的数据指针。后者则主要存放填充物材料的名称、类型以及注释内容。

技术特征：
1.一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过对复杂壳体结构设计分析，建立材料特征数据库，在材料特征数据库中，每一种材料有唯一的编号，外部程序经由该编号调用相应材料的材料特征；步骤2、通过对复杂壳体结构各组件结构进行分析和归纳，针对复杂壳体结构各组件结构特点，对每个组件结构建立以定义方式构成的整体参数化数据结构，整体参数化数据结构至少包括以对应结构材料参数数据构成的材料参数和以每个剖面或层数据指针构成的结构参数，其中：材料参数数据链接材料特征数据库调用相应的材料特征，材料参数数据结构包括材料名称和材料类型；剖面或层数据指针指向下一级每个剖面或层具体参数数据；步骤3、每个组件结构所对应的整体参数化数据封装成对象的形式，并根据剖面或层数据指针指向的指向关系形成树形结构；最后所有组件结构形成以剖面描述为中心的复杂壳体结构设计体系。2.根据权利要求1所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述整体参数化数据结构中的所述结构参数是根据复杂壳体结构各组件的结构几何特点和构成原理，通过整体外形定义、分层定义或多剖面定义方式来实现复杂壳体结构各类组件结构的结构参数化。3.根据权利要求2所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述复杂壳体结构中包含了承力组件结构，承力组件结构整体外形定义的几何信息的参数化定义通过分段描述实现，各段的描述是由各段起点剖面和终点剖面几何参数来表示，对于各段之间剖面的几何参数则通过起点和终点剖面几何参数进行线性或曲线插值获得。4. 根据权利要求3所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述承力组件结构的整体参数化数据结构包括一层整体数据表以及一层是剖面数据表，整体数据表包括材料属性、工艺属性和结构几何数据，其中，结构几何数据存储的是承力组件结构的剖面数据指针，这些剖面数据指针指向其对应的承力组件结构剖面数据结构，该剖面数据结构包括剖面位置x、中间点数m、厚度h以及几何外形参数{y1,h1},{y2,h2},
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, {y
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,h
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}，其中，h=max(h1,h2,
…
,h
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)，y
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表示第m点的y方向坐标，h
m
表示第m点的h方向坐标，其中，x方向和y方向与厚度h方向呈右手坐标系，x方向指向剖面所在平面面法向。5.根据权利要求2所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述复杂壳体结构中包含了支撑组件结构，多个支撑组件结构组件之间连接在一起使复杂壳体结构剖面形成多闭室结构，支撑组件结构的剖面外形依据实际功能具有多种类型，对支撑组件结构整体外形定义的几何描述通过多剖面定义方式来实现，通过给出整体外形定义的起点剖面和终点剖面以及中间剖面的几何参数实现整体外形定义的参数化定义。6. 根据权利要求5所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述支撑组件结构的整体参数化数据结构包括一层整体支撑组件数据表、一层单个支撑组件结构数据表以及一层支撑组件的剖面数据表，其中，整体支撑组件数据表用于存放指向构成复杂壳体结构的各个支撑组件结构的数据指针；单个支撑组件结构数据表用于存放每个支撑组件结构的材料属性、工艺属性和结构几何数据，结构几何数据存放支撑组件结构的各剖面数据指针，这些剖面数据指针指向其对应的支撑组件结构剖面数据结构，该剖面数据结构包括剖面位置x、中间点数m、厚度h以及几何外形参数{y1,h1},{y2,h2},
…
, {y
m
,h
m
}。7.根据权利要求2所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述复杂
壳体结构中包含了表面壳结构，对表面壳结构的参数化定义是通过对表面壳结构分层定义实现的。8.根据权利要求7所述的一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述表面壳结构的整体参数化数据结构包括一层表面壳结构的整体数据表以及一层铺层数据，其中，整体数据表用于存放指向不同铺层数据的指针；铺层数据包括各铺层的材料属性和结构几何属性，材料属性包括材料型号、固定点数、厚度、铺层角度以及铺层坐标，结构几何属性为{y1,h1,θ1},{y2,h2,θ2},
…
,{y
m
,h
m
,θ
m
}，θ
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表示第m个铺层的相对旋转角度。9.根据权利要求2所述一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述复杂壳体结构中所有组件结构确定后，复杂壳体结构内的剩余空间均为填充物，填充物不需要进行结构尺寸定义；支撑组件结构将复杂壳体结构内的空间分割成多块，填充物的数目比支撑组件结构的数目多1个，各块填充物根据不同材料进行材料名称和类型的定义。10.根据权利要求9所述一种复杂壳体结构的参数化设计方法，其特征在于，所述填充物的整体参数化数据结构一层整体填充物数据表以及一层填充物数据表，其中，整体填充物数据表中按照各块填充物在复杂壳体结构剖面位置存放指向各块填充物数据的数据指针，填充物数据表用于存放填充物材料的名称、类型以及注释内容。

技术总结
本发明公开了一种复杂壳体结构的参数化设计方法，本发明根据复杂壳体结构各组件的几何外形特点及其构成，并综合考虑以数字化样机和特征建模为技术特征的产品数字化研制体系的需要，提出了精确反映复杂壳体结构组件真实结构外形的整体参数化定义设计方法。对复杂壳体结构的各类组件依据其结构几何特点制定相应的整体参数化定义，不仅实现复杂壳体结构各类组件几何外形的整体参数化描述，而且在几何外形参数化定义的基础上引入材料、加工工艺等信息，提出一套具有通用性的对复杂壳体结构全组件数据结构的表达机制，使其不但能够便捷地提供复杂壳体结构几何建模及结构分析所需数据，还能为复杂壳体结构的加工制造提供相关数据信息。据信息。据信息。


技术研发人员：钟策 李岳峰 李云峰
受保护的技术使用者：上海索辰信息科技股份有限公司
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/9/9