專利名稱：有限元分析中初始化螺栓預(yù)緊力的改進方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機輔助工程分析中使用的方法、系統(tǒng)和軟件產(chǎn)品，更具體 地說，涉及 一 種有限元分析中初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺栓預(yù)緊力
(pretension)的方法，所述有限元分析用于對其中包括有螺栓連接的結(jié)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行模擬。
背景技術(shù)：
有限元分析(FEA)是一種計算機實現(xiàn)的方法，在工業(yè)中被廣泛用于建模 和解決與復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的工程問題，例如三維非線性結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。FEA
的名字來自以下事實被考察的物體的幾何形狀是特定的。隨著現(xiàn)代數(shù)字計算 機的出現(xiàn)，F(xiàn)EA已經(jīng)作為FEA軟件被實施?；旧?，F(xiàn)EA軟件設(shè)有幾何形狀 描述的模型、以及在模型內(nèi)的每個點處的相關(guān)材料特性。在這個模型中，被分 析系統(tǒng)的幾何形狀由不同尺寸的實體(solid)、殼(shell)和梁(beam)來表 示，這些實體、殼和梁被成為單元。各單元的頂點被稱為節(jié)點(node)。該模 型包括有限數(shù)量的單元，這些單元被賦予與材料特性相關(guān)的材料名。因此該模 型代表了被分析物體及其即刻環(huán)境(immediate surrounding)所占據(jù)的物理空 間。然后，F(xiàn)EA軟件涉及一個表格，每種材料類型的特性被列在該表格中(例 如，應(yīng)力-應(yīng)變構(gòu)成等式、楊氏模量、泊松比、導(dǎo)熱性)。另外，指定了物體的 邊界條件(也就是，負(fù)荷、物理約束等)。用這種方式生成物體及其環(huán)境的模 型。
FEA越來越受到汽車制造廠商的歡迎，用于優(yōu)化汽車的空氣動力學(xué)性能 和結(jié)構(gòu)整體性。同樣地，飛機制造廠商依靠FEA在第一個原型被研發(fā)出來之 前很久就能預(yù)知飛機的性能。受歡迎的FEA任務(wù)之一是模擬碰撞事件，例如 汽車或卡車的防撞性。與防撞性模擬有關(guān)的一個問題是正確地模擬兩個部件(尤其是卡車中的兩個部件)之間的螺栓接合或者連接。
螺栓連接的一般目的是將兩個或多個部件夾緊在一起。夾持力通過向螺栓
頭和螺帽施加扭矩來實現(xiàn)；扳手和螺紋的機械優(yōu)點使得能夠拉伸螺栓頭和螺帽 之間的螺栓部分(也就是被稱為緊固部(grip))，這在螺栓中產(chǎn)生了拉力。該 拉力被稱為預(yù)緊力，因為在任何其它的力被施加到螺栓連接之前，它就存在了。 預(yù)緊力通過螺栓頭、螺帽和可能出現(xiàn)的任何墊片傳遞到相配合的部件。它將相 互配合的部件擠壓在一起，并且如果螺栓連接被合適設(shè)計、組裝和維護，它可 防止相互配合的部件在正常的負(fù)荷下分開或者滑動。
預(yù)緊力需要被實際地模擬，從而在有限元分析中對螺栓接合或者連接正確 地進行模擬。許多現(xiàn)有技術(shù)中的方法不僅在FEA模型的生成中、而且在其實 際模擬中對用戶來說都是麻煩和/或單調(diào)乏味的。在一個例子中，現(xiàn)有技術(shù)中 的方法要求用戶指定每個螺栓都具有預(yù)定的軸向拉伸。這可以通過許多方法來 實現(xiàn)，例如，包括使用熱梯度來產(chǎn)生拉伸，或者僅僅設(shè)置與預(yù)定的拉伸對應(yīng)的 軸向應(yīng)力值。由于典型的FEA模型在接近的地方可能包含好幾百個螺栓，所 導(dǎo)致的互相影響可能使很多螺栓產(chǎn)生不準(zhǔn)確的預(yù)緊力。在模擬的初始階段，用 戶必須非常注意，以確保FEA模型中的各個以及每一個螺栓都確實實現(xiàn)了正 確的預(yù)緊力。當(dāng)螺栓的數(shù)量非常有限，并且這些螺栓并不位于完全不同的方位 時，這種現(xiàn)有技術(shù)的方法可能能夠起作用。在另一種現(xiàn)有技術(shù)的方法中，每個 螺栓都由梁單元表示，其軸向應(yīng)力通過規(guī)定兩個梁端部節(jié)點的動作來反復(fù)確 定。當(dāng)達到期望的軸向應(yīng)力時，將引入約束，用于在兩個梁端部節(jié)點之間產(chǎn)生 剛性連接。螺栓預(yù)緊力不能達到期望水平的主要原因是螺栓連接內(nèi)的板或者其 它組件的變形。在另一個例子中，需要有非常詳細(xì)的螺栓模型(例如，多個實 體單元)來確保預(yù)緊力為內(nèi)部應(yīng)力。
因此，期望能有在有限元分析中初始化螺栓預(yù)緊力的改進方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于在有限元分析中數(shù)字初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺 栓預(yù)緊力的系統(tǒng)、方法和軟件產(chǎn)品。螺栓接合或者連接中的螺栓的預(yù)緊力是根
6據(jù)物理數(shù)據(jù)(例如，用于擰緊螺栓的扳手的扭矩)確定的。當(dāng)在一結(jié)構(gòu)(例如， 汽車，卡車等)中有一個以上的螺栓時，每個螺栓會有不同的預(yù)緊力，且每個 螺栓可能位于不同的方位。在本發(fā)明的另一方面中，使用有限元分析模型中的 梁單元為每個螺栓建模。每個梁單元包括與螺栓的兩個端部對應(yīng)的兩個端部節(jié) 點。為了將期望的預(yù)緊力應(yīng)用于一個或多個螺栓，需規(guī)定至少一條預(yù)緊力對比
時間(pretension-versus-time)曲線。每一預(yù)緊力對比時間曲線包括斜坡部分、 期望預(yù)緊力部分、以及可選的卸載部分。預(yù)緊力對比時間曲線的持續(xù)時間通常 占汽車抗撞擊分析的總模擬時間(大約100ms或者O.ls)的最初0.5-1%。斜 坡部分從零開始，以完全線性的方式達到期望的預(yù)緊力，因此被配置用于以較 小的增量將期望的預(yù)緊力逐漸應(yīng)用于螺栓。期望預(yù)緊力部分被配置用于確保期 望的預(yù)緊力能在初始化的過程中(一系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析)被實際施加到梁單元 上。由于可以獨立于梁的變形或者獨立于軸向應(yīng)變對螺栓施加期望的預(yù)緊力， 根據(jù)本發(fā)明的一個方面的方法克服了在現(xiàn)有技術(shù)的方法中遇到的問題。特別 是，本發(fā)明的方法完全避免了需要重復(fù)確定軸向應(yīng)力或者位移來得到期望的預(yù) 緊力。卸載部分被配置用于發(fā)出已經(jīng)達到期望預(yù)緊力并己經(jīng)施加到螺栓的信 號。
準(zhǔn)靜態(tài)分析可通過動力學(xué)松弛法(implicit solution)或者隱式解法(implicit solution)來進行。另一方面，螺栓預(yù)緊力的終止可以通過檢查解法周期(solution cycle)中的整體結(jié)構(gòu)能量(也就是，內(nèi)部能量或/和動能)平衡來確定，該解 法周期與預(yù)緊力對比時間曲線中期望預(yù)緊力部分相對應(yīng)。一旦已經(jīng)檢測到或確 定整體結(jié)構(gòu)能量平衡，螺栓預(yù)緊力的初始化完成并終止。在加載負(fù)荷的斜坡部 分，整體能量是增加的，當(dāng)所有的螺栓都已經(jīng)被加載至曲線的期望預(yù)緊力部分 后，能量平衡變成可能。
根據(jù)一個實施例，本發(fā)明是有限元分析中初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺栓預(yù) 緊力的改進方法，所述有限元分析用于對其中包括有螺栓連接的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響 應(yīng)進行模擬，所述方法至少包括以下步驟定義一個或多個螺栓，每一個都作 為有限元分析中有限元分析模型中的梁單元；定義至少一條預(yù)緊力對比時間曲 線，用于規(guī)定所述一個或多個螺栓中每一個的期望預(yù)緊力，其中所述至少一條預(yù)緊力對比時間曲線包括斜坡部分、期望預(yù)緊力部分以及可選的卸載部分；在 占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的斜坡部分的解法周期中執(zhí)行第一系 列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的期望預(yù)緊力部分 的解法周期中執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；當(dāng)已經(jīng)檢測到或者確定第一和第二 螺栓預(yù)緊力終止條件中任一個條件時，通過終止第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析完成初 始化螺栓預(yù)緊力。
執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析的方法還包括增加新解法周期的解法時間； 識別出將在新解法周期中被排除的一組螺栓；以及在沒有所述將被排除的一組 螺栓的情況下執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析之一，直至解法時間超出期望預(yù)緊力 部分的終止點，其中通過識別所述一個或多個螺栓中的哪一個已經(jīng)被檢測到并 確定被卸載，來確定所述將被排除的一組螺栓。第一螺栓預(yù)緊力初始化終止條 件包括整體結(jié)構(gòu)能量平衡，而第二螺栓預(yù)緊力初始化終止條件包括已經(jīng)檢測到 并確定所述一個或多個螺栓全部被卸載。
通過以下結(jié)合附圖對具體實施方式
的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的、特征 和優(yōu)點將會變得顯而易見。


參照以下的描述、后附的權(quán)利要求和附圖，將會更好地理解本發(fā)明的這些 和其它特征、方面和優(yōu)點，其中
圖1是對汽車進行抗撞擊模擬的有限元分析結(jié)果的示意圖，其中包括了本 發(fā)明的一個實施例；
圖2是螺栓連接中的示范性螺栓的軸向示意圖，其中螺栓預(yù)緊力可使用本 發(fā)明的一個實施例數(shù)字建模；
圖3是圖2中的示范性螺栓沿徑向(側(cè)面)的視圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖3中螺栓的示范性梁單元模型的示意圖5是示范性預(yù)緊力對比時間曲線的示意圖，所述預(yù)緊力對比時間曲線被 配置用于規(guī)定根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的螺栓的期望預(yù)緊力；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例在有限元分析中初始化獨立于軸向應(yīng)力的螺栓預(yù)緊.力的示范性過程的流程圖；以及
圖7是計算機設(shè)備的主要組件的功能示意圖，在其中可實施本發(fā)明的實施例。
具體實施例方式
為了便于描述本發(fā)明，必須要提供一些術(shù)語的定義，這些術(shù)語將會在本申 請中通篇使用。應(yīng)注意的是，以下的定義是為了便于理解和描述根據(jù)實施例的 本發(fā)明。這些定義可能看起來包括與該實施例相關(guān)的限制條件，但是本技術(shù)領(lǐng) 域的人員理解，這些術(shù)語的實際含義在應(yīng)用上已經(jīng)超出了該實施例
FEA表示有限元分析。
隱式FEA或者解法指的是Ku:F，其中K是有效勁度矩陣，u是未知的 位移陣列，且F是有效負(fù)荷陣列。F是右手側(cè)負(fù)荷陣列，而K是左手側(cè)勁度矩 陣。該解法在整體級別上執(zhí)行，并對有效勁度矩陣進行因素分解，該有效勁度 矩陣是硬度、質(zhì)量和阻尼的函數(shù)。 一個示范性解法是Newmark時間積分法。
顯式FEA指的是Ma:F，其中M是對角線質(zhì)量陣列，a是未知節(jié)點加速 度陣列，F(xiàn)是有效負(fù)荷陣列。該解法可以在單元級別上執(zhí)行，而不對矩陣進行 因數(shù)分解。 一個典型的解法被稱為中央差分法。
梁單元指的是由兩個端部節(jié)點定義的一維有限元。當(dāng)該梁位于應(yīng)變力作用 下時，該梁承載軸向應(yīng)力和在橫截面上可變化的三種剪切應(yīng)力。梁的軸向應(yīng)變 被定義為梁沿軸向的拉伸的量。例如，當(dāng)梁從原始長度L被軸向張力拉伸到 拉長長度(L+S)時，軸向應(yīng)變s被定義為每單位長度的總延長量S (也就是，
在此參照圖1-7討論本發(fā)明的實施例。但是，本技術(shù)領(lǐng)域的人員將會理解， 此處參照這些附圖給出的詳細(xì)描述是用于解釋的目的，本發(fā)明可延伸到這些限 制實施例之外。
首先參照圖1，示出了對汽車進行抗撞擊模擬的有限元分析結(jié)果的示意 圖。汽車撞擊模擬是使用計算機模擬汽車的破壞性撞擊測試的虛擬再現(xiàn)，通常 使用有限元分析來執(zhí)行。汽車的發(fā)動機艙中的某些部分和卡車中的許多組件(例如，引擎9拖車等)通過螺栓連接或者接合在一起。為了正確地模擬這些 螺栓連接，必須采用螺栓中的預(yù)緊力對這些螺栓連接進行實際建模，螺栓接合 或者連接中的每個螺栓的預(yù)緊力都可以從用于擰緊螺栓的扳手所使用的扭矩 得到。雖然圖l所示的結(jié)果是轎車撞擊到障礙物，但是本技術(shù)領(lǐng)域的人員將會 理解，也可使用其他類型的汽車(例如，卡車、跑車、有篷貨車等)，禾卩/或也 可涉及其它類型的碰撞，例如側(cè)面撞擊、翻滾等。
圖2是螺栓接合或連接中的示范性螺栓210的軸向示意圖。螺栓210被一 對螺帽212固定，用于緊固兩部件222和224。該螺栓連接的側(cè)面視圖在圖3 中示出。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可以在有限元分析中對螺栓210中由扭矩 扳手設(shè)置的預(yù)緊力進行數(shù)字建模，以實際模擬汽車/卡車撞擊事件。雖然圖2 和圖3只示出了一個螺栓210，但是汽車/卡車模型中可能有一個以上的螺栓。 此外，每一個螺栓都可能位于不同的方位。
圖4示出了使用梁單元410的螺栓210的有限元模型。采用其它類型的單 元(例如，殼，實體)424和424對兩部件222和224進行建模。需要采用期 望的預(yù)緊力對梁單元410進行初始化，以便可進行實際的汽車/卡車模擬。為 了應(yīng)用期望的預(yù)緊力，規(guī)定并使用每個梁單元(也就是，螺栓)的預(yù)緊力對比 時間曲線(也就是，負(fù)荷曲線)。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的示范性預(yù) 緊力對比時間曲線500。預(yù)緊力對比時間曲線500由水平時間軸502和垂直拉 伸負(fù)荷軸504定義。曲線500從原點510開始，最初拉伸負(fù)荷在時間零處被設(shè) 置為零。曲線510后跟著是斜坡部分511，直到達到期望的預(yù)緊力512。接下 來是較短的水平期望預(yù)緊力部分514 (也就是，水平部分)，直到曲線500進 入可選的卸載部分513。預(yù)緊力對比時間曲線500的整個持續(xù)時間通常被配置 為汽車/卡車抗撞擊模擬的總時間的最初0.5-1%，抗撞擊模擬的總時間持續(xù)大 約100ms或者0.1s。由于預(yù)緊力對比時間曲線500在時間零處開始，預(yù)緊力對 比時間曲線500在時間520處結(jié)束，該時間520便對應(yīng)于預(yù)緊力初始化過程的 持續(xù)時間。如圖5所示，預(yù)緊力對比時間曲線500的加載負(fù)荷階段包括斜坡部 分511和期望預(yù)緊力部分514。
預(yù)緊力對比時間曲線500具有斜坡部分511的一個原因是，確保拉伸負(fù)荷
10或者預(yù)緊力被逐漸增加和累加地施加到對應(yīng)梁單元，因此每個增加的解法時間
中的準(zhǔn)靜態(tài)解可收斂得相對更快?？赏ㄟ^將解法時間增加一個時間步長(time step)或增量At 522，來控制每個增加的準(zhǔn)靜態(tài)解法步驟。此外，當(dāng)應(yīng)用阻尼 (例如雷利剛度阻尼和/或接觸阻尼)時，斜坡部分511中加載負(fù)荷階段期間 的FEA模型的高頻率模式可以被非?？斓厮p。應(yīng)用阻尼是可選的，并可在 初始化過程已經(jīng)被終止后關(guān)閉。
用于終止螺栓預(yù)緊力初始化的多個指示條件中的一個是，檢查在與期望預(yù) 緊力部分514對應(yīng)的算法周期中是否已經(jīng)達到整體結(jié)構(gòu)能量(例如，內(nèi)部能量、 動能等)平衡。 一旦已經(jīng)檢測到并確定平衡，初始化過程結(jié)束。換句話說，已 經(jīng)達到了螺栓預(yù)緊力初始化的終止條件。將不再需要進一步初始化。
雖然整體能量平衡被用作整個螺栓預(yù)緊力初始化過程的終止指示條件，但 是還有另一個用于終止每個單獨螺栓的初始化的指示條件。這在卸載部分513 處發(fā)生卸載時實現(xiàn)。當(dāng)卸載部分513未在曲線500中明確定義時，期望預(yù)緊力 部分514的結(jié)束點被用作卸載的指示。
有限元模型中定義的每個預(yù)緊力螺栓都與預(yù)緊力對比時間曲線500相關(guān)。 這可通過許多方式來實現(xiàn)。例如， 一條曲線用于所有的螺栓，每個螺栓一條曲 線，或者多條曲線中的每條曲線用于一個或多個螺栓。換句話說，用戶可將具 有相同的期望預(yù)緊力的螺栓分組為一個特殊的類型，這樣一個特定的預(yù)緊力對 比時間曲線可以與這個類型相關(guān)。整個FEA模型的螺栓預(yù)緊力的初始化要求 模型中的所有螺栓已經(jīng)被初始化，這意味著已經(jīng)達到了對應(yīng)的預(yù)緊力對比時間 曲線中每個螺栓的終止條件。當(dāng)所有的螺栓都已經(jīng)達到預(yù)緊力對比時間曲線 500的卸載部分513時，整個螺栓預(yù)緊力初始化結(jié)束。可以使用不同的預(yù)緊力 對比時間曲線對位于結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域的螺栓進行初始化，例如，剛性區(qū)域(例 如，發(fā)動機固定架)中的螺栓可以以相對較短的時間初始化(例如，采用較短 的斜坡部分)，而更加柔性區(qū)域內(nèi)的螺栓可能需要更長的斜坡區(qū)域。
現(xiàn)在參照圖6，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例在有限元分析中初始化螺栓預(yù)緊 力的示范性過程600的流程圖。過程600可以用軟件、硬件或者兩者的組合來 實施。
ii過程600從定義一個或多個螺栓開始。在步驟602中每個螺栓由汽車或者 卡車的有限元分析模型中的對應(yīng)梁單元表示。接下來，在步驟604定義至少一 條預(yù)緊力對比時間曲線(例如，圖5所示的負(fù)載曲線)。預(yù)緊力對比持續(xù)時間 曲線的特征包括斜坡部分、期望預(yù)緊力部分、以及可選的卸載部分。有限元分 析模型中定義的每個螺栓都與至少一條預(yù)緊力對比時間曲線中特定的一條相 關(guān)并被分配給該螺栓。接下來在步驟606中，通過執(zhí)行一系列準(zhǔn)靜態(tài)分析，占 據(jù)預(yù)緊力對比時間曲線的斜坡部分，來開始預(yù)緊力初始化程序。換句話說，在 這一系列準(zhǔn)靜態(tài)分析中梁單元的預(yù)緊力是逐漸增加并累加地施加的。這一系列 準(zhǔn)靜態(tài)分析中的每一個都增加期望預(yù)緊力的一部分，直至梁單元(也就是，螺 栓)中已經(jīng)達到期望的預(yù)緊力。逐漸增加地施加內(nèi)部拉伸負(fù)載可將有限元分析 模型中的動態(tài)響應(yīng)最小化。 一旦已經(jīng)達到斜坡的終點，在檢測步驟608中檢査 整體結(jié)構(gòu)能量平衡。如果達到平衡，過程600結(jié)束。
在初始化過程的加載負(fù)荷階段，預(yù)緊力對比時間曲線中規(guī)定的拉伸負(fù)荷被 用于計算對應(yīng)梁單元的軸向應(yīng)力，其覆蓋掉已計算出的軸向應(yīng)力。在梁中，獨 立于估計的軸向應(yīng)力達到期望的預(yù)緊力。加載負(fù)荷階段包括預(yù)緊力對比時間曲 線的斜坡部分和恒定期望預(yù)緊力部分。
如果確定在測試步驟608中未達到平衡，過程600在每一準(zhǔn)靜態(tài)分析后繼 續(xù)至測試步驟610,確定是否己經(jīng)達到預(yù)緊力對比時間曲線的結(jié)束時間。如果 定義了一條以上的預(yù)緊力對比時間曲線，則測試步驟610需要被應(yīng)用于每一條 預(yù)緊力對比時間曲線。換句話說，測試步驟610用于確保有限元模型中定義的 每一個螺栓都被初始化到期望的預(yù)緊力。如果"否"，過程600繼續(xù)至步驟612， 其中處于卸載階段(也就是，已經(jīng)達到期望的預(yù)緊力，并開始顯現(xiàn)卸載特性) 的任何螺栓都被從預(yù)緊力初始化程序內(nèi)進一步的準(zhǔn)靜態(tài)分析中排除。許多已知 的方法都可用于完成這個步驟。例如，符合該標(biāo)準(zhǔn)的任何螺栓都被標(biāo)記或者做 記號，使得不必對被標(biāo)記的螺栓或者梁單元進行進一步的預(yù)緊力初始化。
在接下來的步驟614中，在步驟616中以新增加的解法時間執(zhí)行另一次準(zhǔn) 靜態(tài)分析之前，解法時間被增加(例如，時間增量At)。接下來過程600返回 至檢測步驟608，以檢查整體結(jié)構(gòu)能量平衡。如果沒有達到平衡，重復(fù)檢測步驟610和步驟612、 614以及614，直至測試步驟610變成"是"。過程600結(jié)束。
要注意的是，可使用動力學(xué)松弛法或者隱式解法任意一種來執(zhí)行準(zhǔn)靜態(tài)分析。還要注意的是，也可同時發(fā)生其它準(zhǔn)靜態(tài)初始化。例如，懸架系統(tǒng)的重力加載和汽車輪胎充氣到期望的壓力。
根據(jù)一個方面，本發(fā)明涉及能夠執(zhí)行此處描述的功能的一個或多個計算機系統(tǒng)。該計算機系統(tǒng)700的例子在圖7中示出。計算機系統(tǒng)700包括一個或多個處理器，例如處理器704。處理器704連接到計算機系統(tǒng)的內(nèi)部通信總線702。關(guān)于這一示例性計算機系統(tǒng)，有各種軟件實現(xiàn)的描述。在讀完這一描述后，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員將會明白如果使用其它計算機系統(tǒng)和/或計算機架構(gòu)來實施本發(fā)明。
計算機系統(tǒng)700還包括主存儲器708，優(yōu)選隨機存取存儲器(RAM)，且還可包括輔助存儲器710。輔助存儲器710可包括例如一個或多個硬盤驅(qū)動器712和/或一個或多個可移動存儲驅(qū)動器714,它們代表軟磁盤機、磁帶驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等?？梢苿哟鎯︱?qū)動器714以已知的方式從可移動存儲單元718讀取或者向可移動存儲單元718寫入?？梢苿哟鎯卧?18代表軟盤、磁帶、光盤等，由可移動存儲驅(qū)動器714讀取和寫入?？梢岳斫猓梢苿哟鎯卧?18包括其上存儲有計算機軟件和/或數(shù)據(jù)的計算機可用存儲媒介。
在可選實施例中，輔助存儲器710可包括其它類似的機制，允許計算機程序或者其它指令被裝載到計算機系統(tǒng)700。這樣的機制包括例如可移動存儲單元722和接口 720。這樣的例子可包括程序盒式存儲器和盒式存儲器接口 (例如，視頻游戲設(shè)備中的那些)、可移動存儲芯片(例如可擦除的可編程只讀存儲器(EPROM))、通用串行總線(USB)閃存、或者PROM)以及相關(guān)的插槽、以及其它可移動存儲單元722和允許軟件和數(shù)據(jù)從可移動存儲單元722傳遞到計算機系統(tǒng)700的接口 720。通常，計算機系統(tǒng)700由操作系統(tǒng)(OS)軟件控制和管理，操作系統(tǒng)執(zhí)行例如進程調(diào)度、存儲器管理、網(wǎng)絡(luò)連接和I/0服務(wù)。
可能還設(shè)有連接到總線702的通信接口 724。通信接口 724允許軟件和數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)700和外部設(shè)備之間傳遞。通信接口 724的例子包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口 (例如以太網(wǎng)卡)、通信端口、個人計算機存儲卡國際協(xié)會(PCMCIA)插槽和卡等等。通過通信接口 724傳輸?shù)能浖蛿?shù)據(jù)是信號728的形式，它可以是電子信號、電磁信號、光信號或者可以被通信接口 724接收的其它信號。計算機700基于一組特定的規(guī)則(也就是，協(xié)議)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與其它計算機設(shè)備通信。通用協(xié)議的其中一種是在互聯(lián)網(wǎng)中通用的TCP/IP (傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。通常，通信接口 724將數(shù)據(jù)文件組合處理成較小的數(shù)據(jù)包以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，或?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)包重新組合成原始的數(shù)據(jù)文件。此外，通信接口 724處理每個數(shù)據(jù)包的地址部分以使其到達正確的目的地，或者中途截取發(fā)往計算機700的數(shù)據(jù)包。在這份文件中，術(shù)語"計算機程序媒介"和"計算機可用媒介"都用來指代媒介，例如可移動存儲驅(qū)動器714禾口/或設(shè)置在硬盤驅(qū)動器712中的硬盤。這些計算機程序產(chǎn)品是用于將軟件提供給計算機系統(tǒng)700的手段。本發(fā)明涉及這樣的計算機程序產(chǎn)品。
計算機系統(tǒng)700還包括輸入/輸出(1/0)接口 730，它使得計算機系統(tǒng)700能夠接入顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機、掃描器、繪圖機、以及類似設(shè)備。
計算機程序(也被稱為計算機控制邏輯)作為應(yīng)用模塊706存儲在主存儲器708和/或輔助存儲器710中。也可通過通信接口 724接收計算機程序。這樣的計算機程序被執(zhí)行時，使得計算機系統(tǒng)700執(zhí)行如在此所討論的本發(fā)明的特征。特別地，當(dāng)執(zhí)行該計算機程序時，使得處理器704執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這樣的計算機程序代表計算機系統(tǒng)700的控制器。
在本發(fā)明采用軟件實現(xiàn)的實施例中，該軟件可存儲在計算機程序產(chǎn)品中，并可使用可移動存儲驅(qū)動器714、硬盤驅(qū)動器712、或者通信接口 724加載到計算機系統(tǒng)700中。應(yīng)用模塊706被處理器704執(zhí)行時，使得處理器704執(zhí)行如在此所述的本發(fā)明的功能。
主存儲器708可被加載一個或多個應(yīng)用模塊706，所述應(yīng)用模塊706可被一個或多個處理器704執(zhí)行以實現(xiàn)期望的任務(wù)，所述處理器可具有或不具有通過I/0接口 730輸入的用戶輸入。在運行中，當(dāng)至少一個處理器704執(zhí)行一個應(yīng)用模塊706時，結(jié)果被計算并存儲在輔助存儲器710 (也就是，硬盤驅(qū)動器
14712)中。有限元分析(例如，汽車抗撞擊)的狀態(tài)以文字或者圖形表示的方式通過I/0接口報告給用戶。
雖然參照特定的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的，并不用于限制本發(fā)明。本技術(shù)領(lǐng)域的人員可得到暗示，對具體公開的示范性實施例做出各種修改和改變。例如，雖然已經(jīng)示出并描述了有限元分析模型的梁單元，但是其它類型或形式的一維有限元可被用于實現(xiàn)同樣的目的(例如，具有均勻的軸向應(yīng)力且不承載剪切應(yīng)力的衍架單元)。此外，雖然已經(jīng)示出并描述了預(yù)緊力對比時間曲線，但是也可以使用其它等同的形式或者技術(shù)，例如，查找表或者封閉形式的方程等。總之，本發(fā)明的范圍不限于在此公開的特定示范性實施例，對本技術(shù)領(lǐng)域人員來說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和范圍以及后附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1、一種在有限元分析中初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺栓預(yù)緊力的改進方法，所述有限元分析用于對其中包括有螺栓連接的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行模擬，其特征在于，所述方法包括定義一個或多個螺栓，每一個螺栓都作為有限元分析中有限元分析模型中的梁單元；定義至少一條預(yù)緊力對比時間曲線，用于規(guī)定所述一個或多個螺栓中每一個螺栓的期望預(yù)緊力，其中所述至少一條預(yù)緊力對比時間曲線包括斜坡部分、期望預(yù)緊力部分以及可選的卸載部分；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的斜坡部分的解法周期中執(zhí)行第一系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的期望預(yù)緊力部分的解法周期中執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；以及當(dāng)已經(jīng)檢測到或者確定第一和第二螺栓預(yù)緊力終止條件中任一個條件時，通過終止第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析完成初始化螺栓預(yù)緊力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元分析模型被配 置為表示抗撞擊模擬中的汽車或卡車。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一個或多個螺栓中的 每一個螺栓都對應(yīng)所述至少一條預(yù)緊力對比時間曲線中的一條。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述斜坡部分被配置成使 得期望的預(yù)緊力以較小的增量逐漸施加到所述一個或多個螺栓中每一個螺栓。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述第一和第二 系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析過程中覆蓋計算出的軸向應(yīng)力。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述第一和第二 系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析中應(yīng)用阻尼，使得結(jié)構(gòu)響應(yīng)的高頻模式被更快的衰減。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，執(zhí)行所述第二系列的準(zhǔn)靜 態(tài)分析進一步包括摘"hn壘^ 力+-田卄q tV4船、、/+. 口vf fm項乂JU泰I 口，千仏/口J別口:j附仏y、J l日J(rèn) 識別出將在新解法周期中被排除的一組螺栓；；以及在沒有所述將被排除的一組螺栓的情況下執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析之 一，直至解法時間超出期望預(yù)緊力部分的終止點。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述將被排除的一組螺栓 是通過識別所述一個或多個螺栓中的哪一個己經(jīng)被檢測到并確定被卸載來確 定的。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，第一螺栓預(yù)緊力初始化終 止條件包括整體結(jié)構(gòu)能量平衡
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，第二螺栓預(yù)緊力初始化終 止條件包括已經(jīng)檢測到并確定所述一個或多個螺栓全部被卸載。
11、 一種計算機可記錄的存儲媒介，包括通過一方法控制計算機系統(tǒng)在有 限元分析中執(zhí)行初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺栓預(yù)緊力的指令，所述有限元分析 用于對其中包括有螺栓連接的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行模擬，其特征在于，所述方 法包括-定義一個或多個螺栓，每一個螺栓都作為有限元分析中有限元分析模型中 的梁單元；定義至少一條預(yù)緊力對比時間曲線，用于規(guī)定所述一個或多個螺栓中每一 個螺栓的期望預(yù)緊力，其中所述至少一條預(yù)緊力對比時間曲線包括斜坡部分、 期望預(yù)緊力部分以及可選的卸載部分；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的斜坡部分的解法周期中執(zhí)行 第一系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的期望預(yù)緊力部分的解法周期 中執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；以及當(dāng)已經(jīng)檢測到或者確定第一和第二螺栓預(yù)緊力終止條件中任一個條件時， 通過終止第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析完成初始化螺栓預(yù)緊力。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的計算機可記錄的存儲媒介，其特征在于，所 述方法還包括在所述第一和第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析過程中覆蓋計算出的軸向應(yīng)力。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的計算機可記錄的存儲媒介，其特征在于，所 述方法還包括在所述第一和第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析中應(yīng)用阻尼，使得結(jié)構(gòu)響應(yīng) 的高頻模式被更快的衰減。
14、 一種在有限元分析中初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺栓預(yù)緊力的系統(tǒng)，所 述有限元分析用于對其中包括有螺栓連接的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行模擬，其特征 在于，所述系統(tǒng)包括主存儲器，用于存儲應(yīng)用模塊的計算機可讀代碼；與所述主存儲器相連的至少一個處理器，所述至少一個處理器執(zhí)行所述主 存儲器內(nèi)的計算機可讀代碼，使得所述應(yīng)用模塊執(zhí)行以下操作定義一個或多個螺栓，每一個螺栓都作為有限元分析中有限元分析模型中 的梁單元；定義至少一條預(yù)緊力對比時間曲線，用于規(guī)定所述一個或多個螺栓中每一 個螺栓的期望預(yù)緊力，其中所述至少一條預(yù)緊力對比時間曲線包括斜坡部分、 期望預(yù)緊力部分以及可選的卸載部分；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的斜坡部分的解法周期中執(zhí)行 第一系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；在占據(jù)有限元分析內(nèi)預(yù)緊力對比時間曲線的期望預(yù)緊力部分的解法周期 中執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析；以及當(dāng)已經(jīng)檢測到或者確定第一和第二螺栓預(yù)緊力終止條件中任一個條件時， 通過終止第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析完成初始化螺栓預(yù)緊力。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài) 分析的操作還包括增加新的解法周期的解法時間；識別出將在新解法周期中被排除的一組螺栓；；以及在沒有所述將被排除的一組螺栓的情況下執(zhí)行第二系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析之 一，直至解法時間超出期望預(yù)緊力部分的終止點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有限元分析中初始化螺栓預(yù)緊力的改進方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的方法使用FEA模型中的梁單元為每個螺栓建模。為了將期望的預(yù)緊力施加給一個或多個螺栓，規(guī)定了至少一條預(yù)緊力對比時間曲線，每條預(yù)緊力對比時間曲線包括斜坡部分、期望預(yù)緊力部分、以及可選的卸載部分。斜坡部分從零開始，以完全線性的方式達到期望的預(yù)緊力，因此被配置用于以較小的增量將期望的預(yù)緊力逐漸應(yīng)用于螺栓。期望預(yù)緊力部分被配置用于確保期望的預(yù)緊力在初始化的過程中(一系列的準(zhǔn)靜態(tài)分析)被實際施加到梁單元上。由于該方法不受梁的變形的影響，因此該方法完全避免了需要重復(fù)確定軸向應(yīng)變或者位移以得到期望的預(yù)緊力。
文檔編號G06F17/50GK101685474SQ20091016581
公開日2010年3月31日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者O·霍爾奎斯特 約翰 申請人:利弗莫爾軟件技術(shù)公司