技术领域
[0001] 本
发明属于
土木工程设计行业中的结构模型数据转换技术领域，具体涉及一种快速的空间异形结构有限元建模方法；主要应用土木工程设计中的各种图形设计到有限元结构数据转化，特别适用于大型异形结构设计建模计算，包括了
桥梁工程和公共建筑工程。
背景技术
[0002] 设计图形数据转化为技术在土建结构设计中应用广泛，它的主要功能是将计算机的图形转化为可用于计算的有限元数据模型。但是目前的模型数据转化技术大多数信息不全、效率较低，对于大型的工程绘图数据管理存在困难。
发明内容
[0003] 为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种空间异形结构有限元建模方法。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：一种空间异形结构有限元建模方法，所述的有限元模型内包含有
节点、单元、荷载、边界条件，其中单元分为线单元、面单元和实体单元；其特征在于：在CAD
软件中通过拾取空间
几何模型，结合图形构件管理办法使用有限元图形读入办法，快速的输出有限元计算模型的前处理数据，根据空间自由曲面批量
指定杆件截面转
角，快速创建
有限元分析模型。
[0005] 作为优选，所述的图形构件管理办法包括以下步骤：
[0006] 步骤A1：结构图层数据组织；结构图层主要是为了区分土建设计中结构专业的工作图层，该图层下建立两级子图层，第一级子图层为结构功能，用于区分结构功能或者区域；第二级子图层用于存储结构构件模型信息；
[0007] 步骤A2：图层命名；图层的名称主要包含了功能性名称、构件类型名称、构件结构信息编号和信息分割符号，组合命名格式为“中文名-单元类别-材料编号-截面编号”，其中“中文名、单元类别、材料编号和截面编号”为有限元特定关键字，“-”为特定的分隔符。
[0008] 作为优选，所述的有限元图形读入办法包括以下步骤：
[0009] 步骤B1：启用文件书写；
[0010] 步骤B2：选取导出物体；
[0011] 步骤B3：依次选取单个物体循环处理，并判断几何类型：
[0012] 若是曲线，则继续判断是否是直线？若是直线，则书写杆件模
块、提取几何信息、提取图层结构信息和书写杆单元命令流；若不是直接，则报错记录书写；
[0013] 若是曲面，则继续判断是否是低阶曲面？若是低阶曲面，则书写四点不共面的面的
翘曲面单元、提取几何信息、提取图层结构信息、书写面单元命令流；若不是低阶曲面，则报错记录书写；
[0014] 若是网格，则书写四点共面的平面面单元、提取几何信息、提取图层结构信息和书写面单元命令流；
[0015] 若是点，则书写荷载以及边界条件；
[0016] 否则，报错记录书写；
[0017] 步骤B4：循环结束；
[0018] 步骤B5：结束书写文件；
[0019] 步骤B6：打印错误报告。
[0020] 作为优选，所述的空间自由曲面，是基于NURBS的空间任意曲面，曲面的任意点
位置均可计算曲面法相方向。
[0021] 作为优选，所述的根据空间自由曲面批量指定杆件截面转角，其具体实现包括以下步骤：
[0022] 步骤C1：获取杆件线；获取对应的起点、终点和中点；
[0023] 对于获取的起点和终点，判断其连线是否其垂直于世界坐标轴XY平面：若是，则2轴方向为y轴，3轴方向为x轴；若否，则2轴方向为1轴叉乘z轴，3轴方向为2轴叉乘1轴；然后分别获取1轴、2轴、3轴的角度计算面；其中，在有限元模型当中，1轴、2轴、3轴是单元的局部坐标轴，对于杆单元：1轴是杆单元的起点指向终点的方向，2轴是1轴于世界坐标轴Z轴向量叉积，3轴是1轴于2轴的叉积；
[0024] 对于获取的中点，取得曲面最近点，并获取最近点曲面法向；
[0025] 步骤C2：根据角度计算面和曲面法向计算面与法线方向的夹角；
[0026] 步骤C3：书写夹角记录。
[0027] 相对于
现有技术，本发明的有益效果为：在CAD软件中通过拾取空间几何模型，结合图形构件管理办法使用有限元图形读入办法，快速的输出有限元计算模型的前处理数据，根据空间自由曲面批量指定杆件截面转角，快速创建异型有限元结构分析模型，模型精准可靠，为设计变更快速的提供结构验算模型，节省人
力资源。
附图说明
[0028] 图1：本发明
实施例的截面转角调整
流程图；
[0029] 图2：本发明实施例的线、面单元模型示意图；
[0030] 图3：本发明实施例的线、面单元模型的有限元模型数据结构图；
[0031] 图4：本发明实施例的线单元的模型示意图；
[0032] 图5：本发明实施例的面单元的模型示意图；
[0033] 图6：本发明实施例的网格的模型示意图；
[0034] 图7：本发明实施例的空间几何
体模型示意图；
[0035] 图8：本发明实施例的空间几何体模型的有限元模型数据结构图；
[0036] 图9：本发明实施例的曲面与杆件夹角模型示意图；
具体实施方式
[0037] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038] 本发明在计算机辅助制图软件(Computer Aided Design)中，使用操作者自己积累的图形构件管理办法、有限元数据读入程序方法能够快速创建有限元分析模型。该程序能够根据空间自由曲面批量指定杆件截面转角。
[0039] 本实施所采用的技术方案是：一种空间异形结构有限元建模方法，有限元模型内包含有节点、单元、荷载、边界条件，其中单元分为线单元、面单元和实体单元；在CAD软件中通过拾取空间几何模型，结合图形构件管理办法使用有限元图形读入办法，快速的输出有限元计算模型的前处理数据，根据空间自由曲面批量指定杆件截面转角，快速创建有限元分析模型。
[0040] 其中图形构件管理办法包括以下步骤：
[0041] 步骤A1：结构图层数据组织；结构图层主要是为了区分土建设计中结构专业的工作图层，该图层下建立两级子图层，第一级子图层为结构功能，用于区分结构功能或者区域；第二级子图层用于存储结构构件模型信息；
[0042] 步骤A2：图层命名；图层的名称主要包含了功能性名称、构件类型名称、构件结构信息编号和信息分割符号，组合命名格式为“中文名-单元类别-材料编号-截面编号”，其中“中文名、单元类别、材料编号和截面编号”为有限元特定关键字，“-”为特定的分隔符。
[0043] 其中有限元图形读入办法包括以下步骤：
[0044] 步骤B1：启用文件书写；
[0045] 步骤B2：选取导出物体；
[0046] 步骤B3：依次选取单个物体循环处理，并判断几何类型：
[0047] 若是曲线，则继续判断是否是直线？若是直线，则书写杆件模块、提取几何信息、提取图层结构信息和书写杆单元命令流；若不是直接，则报错记录书写；
[0048] 若是曲面，则继续判断是否是低阶曲面？若是低阶曲面，则书写四点不共面的面的翘曲面单元、提取几何信息、提取图层结构信息、书写面单元命令流；若不是低阶曲面，则报错记录书写；
[0049] 若是网格，则书写四点共面的平面面单元、提取几何信息、提取图层结构信息和书写面单元命令流；
[0050] 若是点，则书写荷载以及边界条件；
[0051] 否则，报错记录书写；
[0052] 步骤B4：循环结束；
[0053] 步骤B5：结束书写文件；
[0054] 步骤B6：打印错误报告。
[0055] 其中空间自由曲面，是基于NURBS的空间任意曲面，曲面的任意点位置均可计算曲面法相方向；请见图1，根据空间自由曲面批量指定杆件截面转角，其具体实现包括以下步骤：
[0056] 步骤C1：获取杆件线；获取对应的起点、终点和中点；
[0057] 对于获取的起点和终点，判断其连线是否其垂直于世界坐标轴XY平面：若是，则2轴方向为y轴，3轴方向为x轴；若否，则2轴方向为1轴叉乘z轴，3轴方向为2轴叉乘1轴；然后分别获取1轴、2轴、3轴的角度计算面；其中，在有限元模型当中，1轴、2轴、3轴是单元的局部坐标轴，对于杆单元：1轴是杆单元的起点指向终点的方向，2轴是1轴于世界坐标轴Z轴向量叉积，3轴是1轴于2轴的叉积；
[0058] 对于获取的中点，取得曲面最近点，并获取最近点曲面法向；
[0059] 步骤C2：根据角度计算面和曲面法向计算面与法线方向的夹角；
[0060] 步骤C3：书写夹角记录。
[0061] 实施例1：
[0062] 请见图2，为线、面单元模型示意图；其建模流程包括步骤如下：
[0063] (1)创建分类管理图层：
[0064] 本案例的图层结构是：
[0065] 父级图层：“最简单案例”
[0066] 一级子图层：“桁架”
[0067] 二级子图层：“桁架上
弦杆-BEAM-1-1”、
[0068] “桁架受力虚面-PLATE-4-4”
[0069] 图层说明：“桁架上弦杆”、“桁架受力虚面”为中文名，“-”为特定分隔符，“BEAM”、“PLATE”为有限元特定关键字。
[0070] 模型中的线单元对应到二级子图层的“桁架上弦杆-BEAM-1-1”，
[0071] 面单元对应到二级子图层的“桁架受力虚面-PLATE-4-4”。
[0072] (2)运行有限元转换程序，请见图3，为程序自动快速输出的有限元模型数据。其具体过程为：选取几何体(线单元与面单元)，输入指令打开脚本并运行脚本得出后缀为“.mgt”的文件，并自定义命名(本例命名为00001.mgt)，打开文件即得到几何体的有限元数据模型。请见图4，为本实施例的线单元的模型示意图；请见图5，为本实施例的面单元的模型示意图；请见图6，为本实施例的网格的模型示意图，其具体的对象类型和信息请见表1；
[0073] 表1：线单元、面单元、网格的对象类型和信息
[0074]
[0075] 实施例2：
[0076] 请见图7，为空间几何体模型示意图；其建模流程如下：拾取几何模型(897条曲线)，输入指令打开脚本并运行脚本得出后缀为“.mgt”的文件，并自定义命名(本例命名为00002.mgt)，打开文件即得到几何体的有限元数据模型，请见图8，本实施例的空间几何体模型的有限元模型数据结构图；
[0077] 实施例3：
[0078] 请见图9，为曲面与杆件夹角模型示意图；其建模流程如下：运行脚本，根据提示先后选取曲面和第一杆件1，点击确定，随后弹出输出文本及对话框，得出第一杆件1的X、Y轴单位向量，点击运行随后显示坐标平面，再次点击运行，结束。拾取第一杆件1并查看属性，在名称栏中读出杆件与曲面夹角。
[0079] 第二杆件2、第三杆件3、第四杆件4步骤同上。
[0080] 本实施例的杆件与曲面相对位置与夹角，请见表2：
[0081] 表2：杆件与曲面相对位置与夹角
[0082]X轴方向向量 Y轴方向向量 Angle
第一杆件1 (0,0,1) (-1,0,0) 77.5245921214769
第二杆件2 (1,0,0) (0,1,0) -166.750967076848
第三杆件3 (0,0,1) (1,0,0) -102.055374148508
[0083]第四杆件4 (1,0,0) (0,1,0) 170.155497472723
[0084] 本发明的目的是提供一种快速的工程结构建模技术流程，该技术流程在兼容目前通用的CAD绘图数据的上，本发明的独创之处在于能通过
计算机程序使绘图数据快速转换为有限元计算模型，能够根据空间曲面法向批量指定杆件截面转角，图层管理办法特别适用于大型异形结构工程。本技术流程包含了一套完整的图层管理以及命名方法作为绘图数据管理体系，和基于Rhinoceros 5SR4图形
绘图软件到Midas系列软件的数据转化
接口程序。
[0085] 计算机辅助制图(Computer Aided Design)为本方法适用范围，目前已知的
计算机辅助设计软件有Rhinoceros、AutoCAD、Blender均在保护范围内；不在已知的CAD软件中的其他软件，但凡是使用了本方法所述的图层管理办法的CAD软件均在保护范围之内。
[0086] 应当理解的是，本
说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0087] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明
专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明
权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或
变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的
请求保护范围应以所附权利要求为准。
