一种基于疲劳损伤敏感度计算的设计方法技术

本公开特别涉及一种用于设计由一种或多种材料形成的机械产品的计算机实现的方法。该方法包括：提供包括以下各项的输入：有限元模型，其表示机械产品并具有设计变量的初始值，一个或多个载荷情况，针对每个载荷情况对应的载荷历史，边界条件，一种或多种材料的疲劳属性，以及疲劳计算方案。该方法还包括基于输入来计算疲劳损伤在有限元模型上的分布；基于计算出的疲劳损伤的分布，来计算疲劳损伤敏感度的集合在有限元模型上的分布，每个集合中的每个疲劳损伤敏感度近似于疲劳损伤相对于相应的设计变量的导数；以及基于疲劳损伤敏感度来更新设计变量的值。更新设计变量的值。更新设计变量的值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于疲劳损伤敏感度计算的设计方法


[0001]本公开涉及计算机程序和系统领域，并且更具体地，涉及一种用于设计以一种或多种材料形成的机械产品的方法、系统和程序。

技术介绍

[0002]市场上提供了用于对象的设计、工程和制造的许多系统和程序。CAD是Computer
‑
Aided Design(计算机辅助设计)的缩写，例如，CAD涉及针对设计对象的软件解决方案。CAE是Computer
‑
Aided Engineering(计算机辅助工程)的缩写，例如，CAE涉及针对仿真未来产品的物理行为的软件解决方案。CAM是Computer
‑
Aided Manufacturing(计算机辅助制造)的缩写，例如，CAM涉及针对定义制造过程和操作的软件解决方案。在这种计算机辅助设计系统中，图形用户接口扮演关于技术的效率的重要的角色。这些技术可以嵌入在产品生命周期管理(PLM)系统中。PLM指代一种商业战略，其帮助公司共享产品数据、应用通用过程并且跨扩展企业的概念利用企业知识以进行产品从概念到其生命尽头的开发。达索系统(Dassault Syst
è
mes)(以CATIA、ENOVIA、SIMULIA和DELMIA为商标)提供的PLM解决方案提供了组织产品工程知识的工程中心、管理制造工程知识的制造中心以及实现企业集成以及到工程中心和制造中心两者的连接的企业中心。整个系统提供了链接产品、过程和资源以实现动态的、基于知识的产品创建和决策支持的开放的对象模型，该对象模型驱动优化的产品定义、制造准备、生产和服务。
[0003]这些系统和程序中的一些提供用于设计表示以一种或多种材料中形成的机械产品的3D建模对象的功能。所述系统和程序提供了基于优化和仿真的自动化产品设计，并且更具体地，一些解决方案在这种设计中集成了疲劳损伤分析(fatigue damage analysis)。以下文档与所述系统和程序相关：
[0004][1]Holmberg,E.,“Stress and fatigue constrained topology optimization”,Diss.University,2016；
[0005][2]Oest,J.,“Structural Optimization with Fatigue Constraints”,Diss.Aalborg University,2017；
[0006][3]Zhang et al.,“Fatigue
‑
based topology optimization with non
‑
proportional loads”,Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,345,pp.805
‑
825,2019；
[0007][4]Suresh,“Topology Optimization for Additive Manufacturing Involving High
‑
Cycle Fatigue”,Vol.1878,University Electronic Press,2020；
[0008][5]Olesen et al.,“Simultaneous optimization of topology and print orientation for transversely isotropic fatigue”,Structural and Multidisciplinary Optimization,pp.1
‑
22,2021；
[0009][6]Jeong et al.,“Fatigue and static failure considerations using a topology optimization method”,Applied Mathematical Modelling,39(3
‑
4),pp.1137
‑
1162,2015；
[0010][7]Lee et al.,“Topology optimization considering fatigue life in the frequency domain”,Computers&Mathematics with Applications,70(8),pp.1852
‑
1877,2015；以及
[0011][8]Gerzen et al.,“Fatigue sensitivities for sizing optimization of shell structures”,12th world congress on structural and multidisciplinary optimization,2017。
[0012]所有上述方法受限于伴随敏感度实现方式中的特定预编码疲劳计算方案(因此该方案中的任何修改都要求对代码进行实质性改变)，无法处理非比例疲劳加载，要求解析导数计算(这对于机械载荷是不切实际的)，和/或不支持临界平面分析(尽管事实是这种分析在工业应用中广泛使用)。
[0013]在该上下文内，仍然需要一种改进的方法，该方法用于设计以一种或多种材料形成的机械产品。

技术实现思路

[0014]因此，提供了一种用于设计以一种或多种材料形成的机械产品的计算机实现的方法。该方法包括：提供包括以下各项的输入：有限元模型，其表示所述机械产品并具有设计变量的初始值，一个或多个载荷情况，针对每个载荷情况的对应的载荷历史，边界条件，一种或多种材料的疲劳属性，以及疲劳计算方案。该方法还包括：基于所述输入来计算疲劳损伤在所述有限元模型上的分布；基于计算出的疲劳损伤的分布，来计算疲劳损伤敏感度的集合在所述有限元模型上的分布，每个集合中的每个疲劳损伤敏感度近似于所述疲劳损伤相对于相应的设计变量的导数；以及基于所述疲劳损伤敏感度来更新所述设计变量的值。
[0015]该方法可以包括以下各项中的一个或多个：
[0016]‑
每个疲劳损伤是所述设计变量和一个或多个应力的函数，其中，所述一个或多个应力中的每一个应力是由所述一个或多个载荷情况中的一个载荷情况施加的，对所述疲劳损伤敏感度的集合的分布的所述计算包括：对于每个疲劳损伤敏感度，计算以下项：每个项表示所述疲劳损伤(D
k
)相对于每个相应的应力的偏导数的近似；
[0017]‑
所述计算出的项中的每个计算出的项由每个所述疲劳损伤(D
k
)相对于所述相应的应力的应力分量的偏导数的有限差分近似构成；
[0018]‑
所述有限差分近似由后向有限差分近似、前向有限差分近似、中心有限差分近似或复数步长近似(complex step approxi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于设计以一种或多种材料形成的机械产品的计算机实现的方法，所述方法包括：
‑
提供包括以下各项的输入：
○
有限元模型(FEM)，其表示所述机械产品并具有设计变量(φ
j
)的初始值，
○
一个或多个载荷情况，
○
针对每个载荷情况的对应的载荷历史，
○
边界条件，
○
所述一种或多种材料的疲劳属性，以及
○
疲劳计算方案；
‑
基于所述输入来计算疲劳损伤(D
k
)在所述有限元模型上的分布；
‑
基于计算出的疲劳损伤的分布，来计算疲劳损伤敏感度的集合在所述有限元模型上的分布，每个集合中的每个疲劳损伤敏感度近似于所述疲劳损伤相对于相应的设计变量的导数以及
‑
基于所述疲劳损伤敏感度来更新所述设计变量的值。2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个疲劳损伤(D
k
)是所述设计变量(φ
j
)和一个或多个应力({σ}
k,i
)的函数，其中，所述一个或多个应力中的每一个应力是由所述一个或多个载荷情况中的一个载荷情况施加的，对所述疲劳损伤敏感度的集合的分布的所述计算包括：对于每个疲劳损伤敏感度，计算以下项：每个项表示所述疲劳损伤(D
k
)相对于每个相应的应力的偏导数的近似3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述计算出的项中的每个计算出的项由每个所述疲劳损伤(D
k
)相对于所述相应的应力的应力分量的偏导数的有限差分近似构成。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述有限差分近似由后向有限差分近似、前向有限差分近似、中心有限差分近似或复数步长近似构成。5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其中，每个疲劳损伤敏感度由以下各项的总和构成：
‑
所述疲劳损伤(D
k
)相对于所述相应的设计变量(φ
j
)的偏导数的近似以及
‑
所述疲劳损伤(D
k
)相对于每个应力的所述偏导数的近似与所述应力相对于所述相应的设计变量的导数的乘法。6.根据权利要求5所述的方法，其中，对所述疲劳损伤敏感度的集合的分布的所述计算包括：对于每个疲劳损伤敏感度，执行以下两项操作中的一项：
‑
对以下各项进行求和：
○
所述疲劳损伤(D
k
)相对于所述相应的设计变量(φ
j
)的所述偏导数的近似以及
○
所述疲劳损伤(D
k
)相对于每个应力的所述偏导数的近似与所述应力相对于所
述相应的设计变量的导数的所述乘法；或者
‑
对以下各项进行求和
○
所述疲劳损伤(D
k
)相对于所述相应的设计变量(φ
j
)的所述偏导数的计算出的近似
○
所述疲劳损伤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：达索系统德国公司，
类型：发明
国别省市：