使用显式有限元分析、采用质量缩放增强型子循环技术数值模拟产品的结构性能制造技术

公开了使用显式FEA、采用质量缩放增强型子循环技术数值模拟产品的结构性能的方法和系统。接收由多个节点和有限元定义的产品的FEA模型。计算每个有限元的时间步长，随后将其分配到相关联节点。各元素划分成N个元素组，第一元素组需要最小时间步长Δt1，其他元素组需要各个时间步长（ΔtN=2N-1Δt1）。为了不用再分类或再划分有限元并仍然获得稳定解，各个适当数量的质量缩放应用于在它们各自的元素组中已经变得过小以至于不能维持稳定解的那些元素。随后采用上述FEA模块，使用显式FEA、采用质量缩放增强型子循环技术实施时间推进模拟。

【技术实现步骤摘要】
模拟产品的结构性能的方法和系统
本专利技术总地涉及计算机辅助工程分析，更具体地，本专利技术涉及连同质量缩放增强型子循环技术(enhancedsubcyclingtechnique)使用显式有限元分析(finiteelementanalysis，FEA)数值模拟产品(例如，汽车、飞机等)的结构性能的方法及系统。
技术介绍
有限元分析(FEA)是广泛应用于工业、以建模和解决与复杂系统有关的工程问题的计算机化方法，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名称起源于为考虑中的物体指定几何形状的方式。随着现代数字计算机的出现，FEA已经实现为FEA软件。基本上地，FEA软件提供有几何描述的模型和该模型内每个点处的相关材料属性。在这一模型内，分析中的系统的几何形状由被称为元素的各种大小的实体(solid)、壳(shell)和线束(beam)来表示。各元素的顶点称作为节点。模型包括有限数量的元素，所述元素分配有材料名称从而使各元素与材料属性相关联。该模型因此代表由分析中的物体连同其直接周边(immediatesurrounding)所占据的物理空间。FEA软件接下来涉及一表格，在所述表格中将每个材料类型的属性(例如，应力-应变本构方程、杨格模量、泊松比、热导率)制成表。此外指定了该物体边界处的条件(即，负载、物理约束等)。照这样创建物体及其环境的模型。FEA具有两个求解技术(solutiontechnique)：隐式(implicit)有限元分析(“隐式法”)和显式有限元分析(“显式法”)。两个方法均用于求解瞬态动力学方程且因此获得该方程的均衡解。各方法经由离散时间间隔或时间间隔Δt从时间(t)推进至时间((t+Δt)。上述方法有时被称为时间推进模拟(time-marchingsimulation)，其包含许多连续时间步长或求解循环(solutioncycle)。本专利技术涉及显式法，只要时间步长非常小,所述显式法则是稳定的—特别地，时间间隔必须小于弹性波从一元素的一侧传播到另一侧所花费的时间。在显式法中维持稳定解的最大时间步长称作为临界时间步长Δtcr。弹性波的速度是材料质量和结构的刚度的函数，有限元和元素大小或元素尺寸代表所述结构的刚度。对具有大致(substantially)相似材料的FEA模型而言，最小的元素通常控制临界时间步长。FEA模型中，甚至一个大致较小的元素可以引起该FEA模型内大多数元素的临界时间步长不必要地变小。当任何元素在时间推进模拟的中途变形为变得太小时，这有可能发生。结果，对剩余模拟而言需要的时间步长将非常小。模拟不仅确实变得非常耗费时间，而且也变得不切实际。例如，对及时做出设计决定以满足商业需要的工程师而言，获得模拟结果将花费太长的时间。针对这一问题的许多现有技术的方法都不成功；例如，一种称作为子循环的方法允许在有限元模型的不同部分使用不同时间步长。然而，子循环具有其缺点和问题；例如，其需要周期性地将整个FEA模型的所有元素分类为采用动态变化的时间步长来处理的许多组。这不仅在软件上难以实现，而且成本非常高。有限元的周期性分类需要大量的计算机资源，这往往挫败了最初加速模拟的目的。另一方法称作为质量缩放，其通过人工增加其质量密度而使一元素的临界时间步长增加。然而，将质量缩放人工应用于FEA模型可能会以不需要的方式改变结构的动态性能(即，人工地较高的质量)。因此，需要使用具有子循环和质量缩放的组合技术的显式FEA来数值模拟产品的结构性能的方法及系统，以便高效且有效地执行模拟。
技术实现思路
本专利技术公开了使用显式FEA、采用质量缩放增强型子循环技术数值模拟产品的结构性能的系统、方法和软件产品。根据本专利技术的示范性实施例，在其上安装有有限元分析应用模块的计算机系统中定义和接收有限元分析(FEA)模型。FEA模型包括多个节点和有限元(例如、壳元素、实体元素、泡沫元素(foamelement)等)。为每个有限元计算元素临界时间步长((Δtcr)。当使用临界时间步长时，可获得使用显式FEA的时间推进工程模拟方面的稳定解。使用在以下“具体实施方式”分段中所列示的Eq.4计算临界时间步长。每个节点也分配有节点临界时间步长，其是与其连接的所有有限元的最小Δtcr。随后基于节点临界时间步长将有限元划分成N个元素组。就需要最小时间步长(Δt1)的第一元素组和需要各个时间步长(ΔtN＝2N-1Δt1)的其他元素组而言，N是大于1的完整数(wholenumber)或整数。每个有限元需要的最小时间步长由最小的节点临界时间步长来确定。换言之，有限元需要的最小时间步长等于定义该有限元的所有节点最小的节点临界时间步长。随后采用上述FEA模型实施(conduct)时间推进模拟，所述时间推进模拟连同质量缩放增强型子循环技术使用显式FEA。结果，在每个主求解循环(solutioncycle)内，在无需对有限元进行周期性再分类(resorting)的情况下，在主求解循环和子求解循环获得显式FEA的求解。质量缩放应用于在各个元素组中已经变得过小以至于不能维持稳定解的那些元素。换言之，使变得过小的那些元素的质量在数值上增加或人工增加，以便可采用初始分配的元素组中的同位体(peer)、采用初始计算出的时间步长来处理那些元素的每个。结果，再分类在模拟过程中是不必要的。一旦仔细阅读对本专利技术实施例的以下详细描述、连同加以考虑各附图，本专利技术的目标、特征和优点将变得显而易见。附图说明结合以下描述、所附权利要求和附图将更好地理解本专利技术的所有特征、方面和优点，所述附图如下：图1是根据本专利技术一实施例的、阐述连同质量缩放增强型子循环技术使用显式有限元分析(FEA)数值模拟产品的结构性能的示范性过程的流程图；图2A-2C是依照本专利技术一个实施例的、图形化地示出将FEA模型的有限元划分为不同元素组的示范性程序的二维示意图；图3是依照本专利技术一个实施例的、示出示范性元素组和各个最小时间步长的示意图；图4是依照本专利技术一个实施例的、示出可用在表示产品(例如轿车)的FEA模型中的两个示范性有限元的示意图；图5是依照本专利技术一个实施例的、示出了质量缩放技术应用于的显式有限元分析中使用的示范性四边形壳元素以及相应质量矩阵和节点加速度矢量的示意图；图6是根据本专利技术一个实施例的、示出了使用显式有限元分析的轿车碰撞的示范性时间推进模拟结果的示意图；以及图7是示出了示范性计算机的突出组件的功能图，在所述示范性计算机中可实现本专利技术的一个实施例。具体实施方式图1是根据本专利技术一实施例的、阐述使用具有质量缩放增强型子循环技术显式有限元分析(FEA)数值模拟产品的结构性能的示范性过程100的流程图。优选地，连同前述各图理解过程100，且过程100以软件方式实现。通过接收有限元分析(FEA)模型开始过程100，所述有限元分析模型在步骤102代表一产品或结构(例如，汽车、飞机等)。FEA模型包括与材料属性关联的多个节点和多个有限元。接下来在步骤104，为每个有限元确定元素临界时间步长(例如图2A)。相应地，各节点分配有各个节点临界时间步长(例如，图2B)。在特定节点处为其所连接的所有有限元选择最小的元素临界时间步长。在步骤106，基于各节点的节点临界时间步骤将FEA模型的有限元划分为N个元素组，所述各节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用显式有限元分析（FEA）、采用质量缩放增强型子循环技术的数值模拟产品的结构性能的方法，其特征在于，所述方法包括：在计算机系统中接收FEA模型，所述计算机系统具有安装其上的显式FEA应用模块，所述FEA模型代表由具有相关联属性的多个节点和多个有限元定义的产品；计算每个有限元的元素临界时间步长；将与每个节点连接的那些有限元的最小的元素临界时间步长作为所述每个节点的节点临界时间步长来分配；基于所述每个有限元的节点的最小的节点临界时间步长将所述多个有限元划分成N个元素组，其中N是大于1的完整数；使用FEA模型、采用在所述计算机系统中执行的显式FEA应用模块实施时间推进模拟，所述显式FEA应用模块应用质量缩放增强型子循环技术，以在许多主求解循环和每个主求解循环的一个或多个子求解循环中获得模拟结构性能；所述质量缩放增强型子循环技术将适当数量的质量缩放应用于在相同元素组中已经变得过小以至于不能维持稳定解的那些元素；以及当达到预设的结束条件时结束所述时间推进模拟。

【技术特征摘要】
2012.01.17 US 13/351,8641.一种使用显式有限元分析FEA并采用质量缩放增强型子循环技术的数值模拟产品的结构性能的方法，其特征在于，所述方法包括：在计算机系统中接收FEA模型，所述计算机系统具有安装其上的显式FEA应用模块，所述FEA模型代表由具有相关联属性的多个节点和多个有限元定义的产品；计算每个有限元的元素临界时间步长；将与每个节点连接的所有有限元中的最小的元素临界时间步长作为所述每个节点的节点临界时间步长来分配；基于所述每个有限元连接的节点中的最小的节点临界时间步长将所述多个有限元划分成N个元素组，其中N是大于1的整数；使用FEA模型并采用在所述计算机系统中执行的显式FEA应用模块实施时间推进模拟，所述显式FEA应用模块应用质量缩放增强型子循环技术，以在多个主求解循环和每个主求解循环的一个或多个子求解循环中获得模拟结构性能；所述质量缩放增强型子循环技术将适当数量的质量缩放应用于在每个元素组中的其元素临界时间步长已经变得过小以至于不能维持稳定解的元素以确保每个元素维持稳定解；以及当达到预设的结束条件时结束所述时间推进模拟。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产品包括汽车。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述时间推进模拟包括在撞击事件中对汽车的防撞性的数值模拟。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元的N个元素组与各个最小时间步长相关联。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，依照公式Δtn＝2n-1Δt1计算所述最小时间步长的每个，其中n＝1,2,…,N，Δt1是所述FEA模型的最小的元素临界时间步长。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，应用适当数量的质量缩放增大了所述不能维持稳定解的元素的质量密度，以便采用所述各个最小时间步长处理所述不能维持稳定解的元素。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量缩放增强型子循环技术还包括在那些有限元的所述每个主求解循环结束时使获得的模拟结构性能同步，所述那些有限元在所述子求解循环中...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·奥·哈尔奎斯特，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：