(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111392820.6 (22)申请日 2021.11.23 (71)申请人 航天晨光股份有限公司 地址 211106 江苏省南京市江宁经济技 术 开发区天元中路18 8号 申请人 东南大学 (72)发明人 陈崇昆　黄大成　刘艳　赵继方　 王昭君　叶威　王萌　范荣超　 (74)专利代理 机构 北京立成智业专利代理事务 所(普通合伙) 11310 代理人 张厚山 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 113/14(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种金属软 管建模及模态分析方法 (57)摘要 一种金属软管建模及 模态分析方法， 金属软 管由波纹管和网套组成， 在建模 软件中分别建立 波纹管和网套的三维模型， 得到金属软管三维模 型； 然后由金属软管三维模型构建有限元模型： 采用壳单元对波纹管进行网格划分， 采用梁单元 对网套进行网格划分； 最后对金属软管进行有限 元分析， 对金属软管的接触进行设置， 在设置的 接触条件上对 金属软管进行有限元仿真分析， 完 成对金属软管的模态分析。 本发 明提出一种有限 元分析方法， 对网套丝股之间、 网套与波纹管之 间的接触进行定义， 并解决了有限元分析中软件 部件接触多， 同股金属丝路径不同的难点， 使用 本发明方法可以有效对金属软管进行静力学和 动力学分析， 有限元分析结果贴近实际实验结 果。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 114065587 A 2022.02.18 CN 114065587 A 1.一种金属软 管建模及模态分析 方法， 金属软 管由波纹管和网套组成， 其特 征是： 1)根据波纹管和网套的尺寸在 建模软件中分别建立波纹管和网套的三维模型， 得到金 属软管三维模型； 2)由金属软管三维模型构建有限元模型： 对波纹管抽壳取壳， 采用壳单元对波纹管进 行网格划分， 对网套取中心线成梁， 采用梁单 元对网套 进行网格划分； 3)对金属软 管进行有限元分析， 对金属软 管的接触进行设置， 包括： 3.1)将波纹管末端和网套末端通过固定副连接固定在一 起； 3.2)设置网套金属丝股之间和网套与波纹管之间的接触， 网套和波纹管之间设定为摩 擦接触， 接触算法为法向拉格朗日； 网套的丝股之 间设定为绑定接触， 对网套进 行等效分析 时， 采用截面惯性矩相同的方法， 用单根丝等效丝股进行分析； 在3.1)和3.2)的设置基础 上基于波纹管和网套的有限元模型进行有限元仿真分析， 完 成对金属软 管的模态分析。 2.根据权利要求1所述的一种金属软管建模及模态分析方法， 其特征是建立金属软管 的三维模型时， 对波纹管， 先建立U形波纹管截面， 再根据旋转扫描建立整个波纹管三维模型， 对网套， 考虑网套由金属丝交叠编织的情况， 建立网套金属丝的运动轨 迹方程： 式中， r0为网套半径， θ为旋转角度， 即单根丝与水平方向的夹角， p为单根丝螺旋线的螺 距， N为金属丝在编织中的起伏次数， h为起伏高度； 然后对运动轨迹曲线进行扫描， 得到单 根丝的螺旋线； 对单根丝以设定角度进 行圆周阵列,得到一股丝股； 最后以一股丝股为单位 再进行等距的圆周阵列,得到由丝股编织而得的网套三维模型。 3.根据权利要求1或2所述的一种金属软管建模及模态分析方法， 其特征是对 网套的有 限元模型， 将网套的丝股看成梁来进 行受力分析， 丝股由多根单丝组成， 取单丝来分析轴向 刚度， 将多丝受力和单股受力等效， 使金属丝股等效为一根丝， 得到网套的受力等效模型， 用于有限元分析。 4.根据权利要求1所述的一种金属软管建模及模态分析方法， 其特征是采用壳单元 SHELL181对波纹管进行网格划分， 对网套取中心线成梁， 采用梁单元BEAM188对网套进行网 格划分。 5.根据权利要求1所述的一种金属软管建模及模态分析方法， 其特征是网套和波纹管 之间的摩擦接触， 摩擦系数设为0.2。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114065587 A 2一种金属软管建模 及模态分析方 法 技术领域 [0001]本发明属于金属软管测试技术领域， 涉及对金属软管的仿真建模有限元分析， 为 一种金属软 管建模及模态分析 方法。 背景技术 [0002]金属软管由网套和波纹管组成， 在有限元分析中， 由于金属软管中金属网套接触 多， 同股金属丝路径不同等难点， 导致与设计工况下的波纹管与网套、 网套之间的接触多， 同股金属丝路径不同的难点， 较难进行 金属软管的有限元分析。 [0003]由于上述难点， 现有技术大多对网套和波纹管分开进行有限元分析， 主要包括以 下两种方式： [0004]1)在建立有限元模型时， 采用三维二次等参元离散波纹管， 梁单元离散网套， 运用 No s eparation接触法表述波纹管与网套的相互作用关系。 此方法直接将网套离散化， 忽 略了实际中网套金属丝股之间的作用的影响， 故与实际金属软管存在误差， 有限元分析 的 结果误差也较大。 [0005]2)运用约束方程表述波纹管与网套之间的相互作用关系， 考虑金属软管的材料非 线性、 几何非线性和大变形等 非线性特性， 建立参数化的金属软管三 维有限元模 型， 分别对 波纹管和网套进行有限元分析， 再结合约束方程实现对金属软管 的有限元分析。 但由于实 际中， 网套和波纹管之间相互作用关系并非线性关系， 这种建模大多与实际存在误差， 约束 方程无法准确描述， 分析 结果仍然不能满足仿真 分析的需求。 发明内容 [0006]本发明要解决的问题是： 由于网套与波纹管接触复杂， 金属网套同股金属丝路径 不同等难点， 导 致接触方式难以设定， 金属软 管的有限元分析难以开展。 [0007]本发明的技术方案是： 一种金属软管建模及模态分析方法， 金属软管由波纹管和 网套组成， [0008]1)根据波纹管和网套的尺寸在建模软件中分别建立波纹管和网套的三维模型， 得 到金属软 管三维模型； [0009]2)由金属软管三维模型构建有限元模型： 对波纹管抽壳取壳， 采用壳单元对波纹 管进行网格划分， 对网套取中心线成梁， 采用梁单 元对网套 进行网格划分； [0010]3)对金属软 管进行有限元分析， 对金属软 管的接触进行设置， 包括： [0011]3.1)将波纹管末端和网套末端通过固定副连接固定在一 起； [0012]3.2)设置网套金属丝股之间和网套与波纹管之间的接触， 网套和波纹管之间设定 为摩擦接触， 接触算法为法向拉格朗日； 网套的丝股之 间设定为绑定接触， 对网套进 行等效 分析时， 采用截面惯性矩相同的方法， 用单根丝等效丝股进行分析； [0013]在3.1)和3.2)的设置基础上基于波纹管和网套的有限元模型进行有限元仿真分 析， 完成对金属软 管的模态分析。说　明　书 1/4 页 3 CN 114065587 A 3