專利名稱：適于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和/或旋轉(zhuǎn)的改進(jìn)型實(shí)體有限元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于協(xié)助工程師和科學(xué)家作出結(jié)構(gòu)(例如，汽車、飛機(jī)、消費(fèi)產(chǎn)品等)
設(shè)計(jì)決策的計(jì)算機(jī)輔助工程分析，更具體地說(shuō)，涉及一種提供適于模擬結(jié)構(gòu)(例如，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的扇渦輪)的大變形和/或旋轉(zhuǎn)的改進(jìn)型特殊用途的實(shí)體有限元的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有限元分析(FEA)是一種計(jì)算機(jī)輔助工程工具，它使用數(shù)學(xué)方法來(lái)獲得復(fù)雜工程系統(tǒng)的近似解決方案。FEA通常用于許多其它工程領(lǐng)域，尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它還被廣泛用于模擬隨時(shí)間推進(jìn)的事件，例如汽車撞擊和金屬成形。它是非常強(qiáng)大的工具，被工程師和科學(xué)家廣泛用于在實(shí)際的制造和構(gòu)造之前評(píng)估新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)。FEA通常作為安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的有限元分析軟件或者應(yīng)用模塊來(lái)實(shí)施。 為了執(zhí)行FEA，首先基于被分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀來(lái)生成有限元分析模型。在該模型中，主題結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化為有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)單元或者有限元互連。單元被賦予材料特性?？梢赃x擇節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和單元的類型以適應(yīng)有限元分析中的系統(tǒng)的特定要求和興趣。此外，對(duì)模型進(jìn)行約束以確保邊界條件。 已有許多類型的有限元(l) 一維單元(例如，梁?jiǎn)卧?、桁架單?，(2) 二維單元(例如，殼單元)，以及(3)三維單元(例如，四面體單元、六面體單元)。每個(gè)有限元使用形狀函數(shù)(shape function)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以表示或描述其領(lǐng)域。這個(gè)形狀函數(shù)可以是低次的(線性的)或者高次的(曲線_線性)。使用低次形狀函數(shù)的單元可只要求角節(jié)點(diǎn)或者端部節(jié)點(diǎn)，例如，圖1A所示的8節(jié)點(diǎn)磚形單元和圖1B所示的4節(jié)點(diǎn)四面體單元。
為了使用高次形狀函數(shù)，單元要求附加的節(jié)點(diǎn)，例如圖1C所示的20節(jié)點(diǎn)的六面體單元IIOC，以及圖1D所示的10節(jié)點(diǎn)的四面體單元IIOD。由于增加了節(jié)點(diǎn)，計(jì)算變得更加復(fù)雜，因此要求更多的計(jì)算資源。這是現(xiàn)今的產(chǎn)品工程環(huán)境中的問(wèn)題，因?yàn)樵S多目前的FEA模型包括一百萬(wàn)個(gè)以上的單元。為了保證每次FEA的合理運(yùn)行時(shí)間(例如，通宵)，用戶通常想要使用低次單元，來(lái)獲得合理的運(yùn)行時(shí)間，但是仍然想要FEA結(jié)果的質(zhì)量包括高次形狀函數(shù)的效果。需要注意的是，上述現(xiàn)有技術(shù)實(shí)體單元(也就是，單元110A-B)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處僅包含平移變形(translational deformation)，這由笛卡爾(Cartesian)坐標(biāo)系100A-D中所示的三個(gè)分量u， v，w(也就是，三個(gè)平移自由度)來(lái)表示。
當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)中的實(shí)體單元與一個(gè)FEA模型中的殼單元結(jié)合使用時(shí)，另一個(gè)問(wèn)題就出現(xiàn)了。殼單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度(D0F)(也就是，三個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度)。而現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)體單元只有三個(gè)平移自由度。實(shí)體單元和殼單元之間共用的公共節(jié)點(diǎn)的不兼容經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生計(jì)算問(wèn)題，使得模擬結(jié)果無(wú)效。因此，需要一種改進(jìn)的實(shí)體有限元，能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)的方法中的問(wèn)題和不足。

發(fā)明內(nèi)容
這一部分用于概述本發(fā)明的某些方面，并簡(jiǎn)要介紹某些優(yōu)選實(shí)施例?？赡軐?duì)這一部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化或省略，以避免這部分的目的不明顯。這樣的簡(jiǎn)化和省略并不用于限制本 發(fā)明的范圍。 本發(fā)明在此公開了一種使用有限元分析來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的大變形和/或旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng) 和方法，所述有限元分析用于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明配置出一種特殊 用途的實(shí)體有限元，用于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和/或旋轉(zhuǎn)。該特殊用途的實(shí)體有限元僅包含 角節(jié)點(diǎn)(comer node)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度(D0F)，即三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)。換句話 說(shuō)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被配置成具有平移變形和旋轉(zhuǎn)變形，平移和旋轉(zhuǎn)變形中的每一個(gè)都具有三個(gè) 分量，每個(gè)分量對(duì)應(yīng)于六個(gè)自由度中的一個(gè)。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述特殊用途的實(shí)體單元被配置成具有多個(gè)角節(jié)點(diǎn)和多
個(gè)外棱邊(external edge)。每個(gè)外棱邊有兩個(gè)端部，每個(gè)端部位于相鄰的一個(gè)角節(jié)點(diǎn)處。
此外，每個(gè)外棱邊的中部的平移變形暗含在兩個(gè)相鄰角節(jié)點(diǎn)的平移和旋轉(zhuǎn)變形中。 根據(jù)另一方面，本發(fā)明創(chuàng)建一種針對(duì)待設(shè)計(jì)和/或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)的有限元分析
(FEA)模型。該有限元分析模型包括至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元，適用于模擬結(jié)構(gòu)的大變
形和旋轉(zhuǎn)。接下來(lái)該FEA模型被用于在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行有限元分析，該計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有有限
元分析應(yīng)用模塊。有限元分析應(yīng)用模塊被配置成使用所述至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元來(lái)
促進(jìn)結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的計(jì)算。 通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施方式
的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn) 將會(huì)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(huì)更好地理解本發(fā)明的這些和其它 特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中 圖1A-1D是現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)體單元的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、可使用一個(gè)或多個(gè)特殊用途的實(shí)體單元來(lái)建模 的示范渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖； 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、使用多個(gè)六面體單元建模的示范性結(jié)構(gòu)(棱柱 梁)的示意圖，其中每個(gè)六面體單元使用特殊用途的實(shí)體單元建模，該實(shí)體單元被配置用 于模擬大變形和/或旋轉(zhuǎn)； 圖3B是圖3A所示的示范性棱柱梁的大旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的示意圖； 圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范性特殊用途的實(shí)體單元(也就是，8節(jié)點(diǎn) 六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度)的示意圖； 圖4B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)示范性特殊用途的實(shí)體單元(也就是， 4節(jié)點(diǎn)四面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度)的示意圖； 圖5A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于得到特殊用途的實(shí)體單元的棱邊中部平移變 形的一組等式； 圖5B-5E用圖形示出了在圖5A的一組等式中所使用的項(xiàng)； 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在用于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析中模擬結(jié)構(gòu) 的大變形和旋轉(zhuǎn)的示范性過(guò)程流程圖； 圖7是示范性計(jì)算機(jī)的功能框圖，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可在其中實(shí)施。
具體實(shí)施例方式
在此將參照?qǐng)D2-7討論本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本技術(shù)領(lǐng)域的人員將會(huì)理解，在此 參照附圖給出的詳細(xì)描述只是用作解釋的目的，本發(fā)明延伸到這些有限的實(shí)施例之外。
首先參照?qǐng)D2，示出了示范性的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)200。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)200的一個(gè) 關(guān)鍵部件是扇渦輪202，該扇渦輪202高速旋轉(zhuǎn)以吸入空氣212，從而產(chǎn)生推力222。為了正 確模擬扇渦輪202的大變形和旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部分(也就是，風(fēng)機(jī)葉片)需要采用適于模 擬結(jié)構(gòu)的大旋轉(zhuǎn)和變形的特殊用途的實(shí)體單元來(lái)建模。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在以下 的圖4A和圖4B中示出了兩個(gè)示范性的特殊用途的實(shí)體單元。 圖3A示出了使用多個(gè)實(shí)體單元建模的棱柱梁的示范性有限元模型312。當(dāng)棱柱梁 進(jìn)行圖3B所示的旋轉(zhuǎn)(例如，剛性體旋轉(zhuǎn)328)時(shí)，棱柱梁從原始朝向320移動(dòng)到新的朝向 326。通常，F(xiàn)EA模型在全局坐標(biāo)系322中定義，該全局坐標(biāo)系是帶有x， y， z軸的笛卡爾坐 標(biāo)系。 適用于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的特殊用途的實(shí)體單元可用于為該結(jié)構(gòu)建模 (例如，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)機(jī)葉片)。在一個(gè)實(shí)施例中，圖4A示出了 8節(jié)點(diǎn)六面體單元 420A。在另一個(gè)實(shí)施例中，圖4B示出了 4節(jié)點(diǎn)四面體單元420B。每個(gè)特殊用途的實(shí)體單元 都包括多個(gè)角節(jié)點(diǎn)422A-B以及多個(gè)外棱邊424A-B。每個(gè)外棱邊424A-B都位于兩個(gè)相鄰 的角節(jié)點(diǎn)422A-B之間。每個(gè)角節(jié)點(diǎn)422A-B被配置成具有六個(gè)自由度，如坐標(biāo)系428A-B所
示。六個(gè)自由度對(duì)應(yīng)具有三個(gè)平移分量(u，v，w)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量(ex， ey， ez)的節(jié)點(diǎn)變形。 為了使得特殊用途的實(shí)體單元420A-B適于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)，該特殊用 途的實(shí)體單元被配置成具有高次形狀函數(shù)的效果，使用圖5A所示的一組等式500。該特殊 用途的實(shí)體單元可基于等式500、從兩個(gè)端部節(jié)點(diǎn)的變形中得到每個(gè)外棱邊的棱邊中部變 形。換句話說(shuō)，每對(duì)相鄰的角節(jié)點(diǎn)的六個(gè)分量(三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量)都暗含外棱邊的棱邊中部的平移變形。 在這一組等式500中，參數(shù)和變量的定義如下iik， vk和wk分別是每個(gè)外棱邊的棱
邊中部平移變形的三個(gè)分量；Ui，Vi，Wi， exi， 9yi和ezi分別是外棱邊的一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第一 節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Uj，Vj，Wj， exj， 9yj和e zj分別是外棱邊的一對(duì)節(jié)
點(diǎn)中的第二節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Xi， yi和Zi是第一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；Xj， yj 和Zj分別是第二節(jié)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；^。，、。和、。是至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體 單元中每一個(gè)的剛性體旋轉(zhuǎn)的三個(gè)分量。 圖5B-5F所示的圖用于更好地理解以上的定義。圖5B示出了示范性的特殊用途 的六面體單元520，該六面體單元520具有八個(gè)角節(jié)點(diǎn)和八個(gè)外棱邊，為了簡(jiǎn)潔說(shuō)明，只用 標(biāo)號(hào)示出了一個(gè)示范性外棱邊521和一對(duì)相鄰角節(jié)點(diǎn)522-524。該外棱邊521位于一對(duì)相 鄰的角節(jié)點(diǎn)之間，即第一節(jié)點(diǎn)i522和第二節(jié)點(diǎn)j524。棱邊中點(diǎn)k526位于外棱邊521的中 部，到相鄰的角節(jié)點(diǎn)522-524中每一個(gè)的距離相等。等式500中的下標(biāo)i， j，和k分別對(duì)應(yīng) 于第一節(jié)點(diǎn)522、第二節(jié)點(diǎn)524以及棱邊中點(diǎn)526。 圖5C和5D是該特殊用途的實(shí)體單元的兩種狀態(tài)的二維視圖(2D)。第一狀態(tài) 532示出了特殊用途的六面體單元520的一面處于無(wú)形變或者原始狀態(tài)，而第二狀態(tài)534是變形狀態(tài)下的相同視圖。可以看出，變形的棱邊521A不再是直線。第一和第二節(jié)點(diǎn) 522A-524A、以及棱邊中點(diǎn)526A均位于全局坐標(biāo)系中的不同位置。單元520經(jīng)歷從無(wú)形變 狀態(tài)532至變形狀態(tài)534的剛性體旋轉(zhuǎn)9 o548。 圖5E是示出變形狀態(tài)534下的外棱邊521A的更多細(xì)節(jié)的示意圖554。特別地，分 別示出了第一和第二節(jié)點(diǎn)522A-524A處的旋轉(zhuǎn)變形e ^42和9^44。除了單元520的剛 性體旋轉(zhuǎn)9 。夕卜，還示出了棱邊中點(diǎn)526A處的平移變形S 546。 現(xiàn)在參照?qǐng)D6，所示的流程圖用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、在用于輔助用戶改進(jìn)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析中模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的示范性方法600。 方法600從在步驟602中接收經(jīng)歷大變形和/或旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的定義開始。該結(jié)構(gòu)
為一個(gè)或多個(gè)用戶(例如，工程師和/或科學(xué)家)設(shè)計(jì)且待改進(jìn)。然后在步驟604中定義
和生成結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。該有限元分析(FEA)模型包括被配置用于模擬結(jié)構(gòu)的大變
形和旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元。該特殊用途的實(shí)體單元已經(jīng)在圖4A-4B以及
5A-5E及其對(duì)應(yīng)描述中示出和描述。 該大變形和旋轉(zhuǎn)包括結(jié)構(gòu)的剛性體旋轉(zhuǎn)。大旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通常被定義為至少10度。在 FEA模型被定義和生成后，在步驟606中規(guī)定邊界和初始條件(例如，負(fù)載和位移約束)，以 反映被模擬的條件。接下來(lái)，在步驟608中，在計(jì)算機(jī)中使用生成的FEA模型來(lái)執(zhí)行有限元 分析，該計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有對(duì)應(yīng)的有限元分析應(yīng)用模塊。該對(duì)應(yīng)的有限元分析應(yīng)用模塊能夠 便于結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的計(jì)算。 在步驟610中，從有限元分析中得到節(jié)點(diǎn)位移和單元變形，包括每個(gè)特殊用途的 實(shí)體單元的旋轉(zhuǎn)和變形。特殊用途的實(shí)體單元的每個(gè)角節(jié)點(diǎn)包括六個(gè)變形分量，即三個(gè)平 移分量和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量。在步驟612中，模擬結(jié)果可以通過(guò)顯示在與FEA的計(jì)算機(jī)相連的 顯示器上的圖形用戶界面以圖形或者文字的形式顯示出來(lái)。最后，如果模擬是時(shí)間推進(jìn)或 者基于時(shí)域的模擬，在步驟614中執(zhí)行多個(gè)求解循環(huán)內(nèi)的進(jìn)一步計(jì)算，直至已經(jīng)到達(dá)模擬 的終點(diǎn)。 根據(jù)一方面，本發(fā)明涉及一種或多種可執(zhí)行在此描述的功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)700的例子在圖7中示出。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700包括一個(gè)或多個(gè)處理器，例如處理器704。 處理器704連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信總線702。關(guān)于該示范性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有各種軟件 實(shí)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(huì)明白如果使用其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 和/或計(jì)算機(jī)架構(gòu)來(lái)實(shí)施本發(fā)明。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700還包括主存儲(chǔ)器708，優(yōu)選隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，還可包括輔助 存儲(chǔ)器710。輔助存儲(chǔ)器710包括例如一個(gè)或多個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器712和/或一個(gè)或多個(gè)可移 除存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器714，它們代表軟磁盤機(jī)、磁帶驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器等。可移除的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器 714用已知的方式從可移除存儲(chǔ)單元718中讀取和/或向可移除存儲(chǔ)單元718中寫入?？?移除存儲(chǔ)單元718代表可以由可移除存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器714讀取和寫入的軟盤、磁帶、光盤等。可 以理解，可移除存儲(chǔ)單元718包括其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)軟件和/或數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)可讀媒介。
在可選實(shí)施例中，輔助存儲(chǔ)器710可包括其它類似的機(jī)制，允許計(jì)算機(jī)程序或者 其它指令被裝載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700。這樣的機(jī)制包括例如可移動(dòng)存儲(chǔ)單元722和接口 720。 這樣的例子可包括程序盒式存儲(chǔ)器和盒式存儲(chǔ)器接口 (例如，視頻游戲設(shè)備中的那些)、可 移動(dòng)存儲(chǔ)芯片(例如可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)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(dòng)存儲(chǔ)單元722和允許軟件和數(shù)據(jù)從可移動(dòng)存儲(chǔ) 單元722傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700的接口 720。通常，計(jì)算機(jī)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(jìn)程調(diào)度、存儲(chǔ)器管理、網(wǎng)絡(luò)連接和I/O服務(wù)。
還可以具有設(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(jì)算機(jī)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(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡國(guó)際協(xié)會(huì)(PCMCIA)插槽和卡等等。計(jì)算機(jī) 700基于一組特定的規(guī)則(也就是，協(xié)議)通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與其它計(jì)算設(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(guò)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(gè)數(shù)據(jù)包的地址部分以使其到達(dá)正確的目 的地，或者中途截取發(fā)往計(jì)算機(jī)700的數(shù)據(jù)包。在這份文件中，術(shù)語(yǔ)"計(jì)算機(jī)程序媒介"和 "計(jì)算機(jī)可用媒介"都用來(lái)指代媒介，例如可移動(dòng)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器714和/或設(shè)置在硬盤驅(qū)動(dòng)器 712中的硬盤。這些計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品是用于將軟件提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700的手段。本發(fā)明 涉及這樣的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700還包括輸入/輸出(I/O)接口 730，它使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700能夠接 入顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描器、繪圖機(jī)、以及類似設(shè)備。 計(jì)算機(jī)程序(也被稱為計(jì)算機(jī)控制邏輯)作為應(yīng)用模塊706存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器708 和/或輔助存儲(chǔ)器710中。也可通過(guò)通信接口 724接收計(jì)算機(jī)程序。這樣的計(jì)算機(jī)程序被 執(zhí)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī) 程序時(shí)，使得處理器704執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這樣的計(jì)算機(jī)程序代表計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700 的控制器。 在本發(fā)明采用軟件實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例中，該軟件可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中，并可使 用可移動(dòng)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器714、硬盤驅(qū)動(dòng)器712、或者通信接口 724加載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)700中。應(yīng) 用模塊706被處理器704執(zhí)行時(shí)，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(chǔ)器708可被加載有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用模塊706 (例如FEA應(yīng)用模塊)，所述應(yīng) 用模塊706可由一個(gè)或多個(gè)處理器704在具有或不具有通過(guò)I/O接口 730輸入的用戶輸入 的情況下執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)期望的任務(wù)。在運(yùn)行中，當(dāng)至少一個(gè)處理器704執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用模塊706 時(shí)，結(jié)果被計(jì)算并存儲(chǔ)在輔助存儲(chǔ)器710(也就是，硬盤驅(qū)動(dòng)器712)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(guò)1/0接口報(bào)告給用戶。
雖然參照特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是這些實(shí)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(duì)具體公開的示范性實(shí)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?jiǎn)卧瞧渌愋突蛐?式的一維有限元可被用于實(shí)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(duì)比時(shí)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(shí)施例，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域人員來(lái)說(shuō)暗含的所有修改都將被包括在本申請(qǐng)的 精神和范圍以及后附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種在用于輔助用戶改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析中模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，包括定義結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，該有限元分析模型包括被配置用于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元，該特殊用途的實(shí)體單元包括多個(gè)角節(jié)點(diǎn)和多個(gè)外棱邊，每個(gè)外棱邊都位于彼此相鄰的一對(duì)角節(jié)點(diǎn)之間，其中的每一個(gè)角節(jié)點(diǎn)都包括具有三個(gè)平移分量和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量的變形，所述一對(duì)相鄰角節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)變形被配置成使得可從中暗含得到所述每一外棱邊的棱邊中部平移變形；在計(jì)算機(jī)中使用所述有限元分析模型來(lái)執(zhí)行有限元分析，該計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有對(duì)應(yīng)的有限元分析應(yīng)用模塊，其中該對(duì)應(yīng)的有限元分析應(yīng)用模塊被配置成使用至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的計(jì)算；以及根據(jù)所述有限元分析的結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)，其中所述結(jié)果被配置成顯示在與計(jì)算機(jī)相連的顯示監(jiān)視器上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括執(zhí)行結(jié)構(gòu)的時(shí)間推進(jìn)或者時(shí)域模擬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中的 每一個(gè)還包含剛性體旋轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述每個(gè)外棱邊的棱邊中部的三個(gè)變形 用以下列出的等式計(jì)算<formula>formula see original document page 2</formula>其中，Uk， Vk和Wk分別是所述每個(gè)外棱邊的棱邊中部平移變形的三個(gè)分量；Ui， Vi， Wi， e xi， e yi和e zi分別是所述一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第一節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三 個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Uj，Vj，Wj， exj， 9yj和ezj分別是所述一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第二節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Xi， yi和Zi是第一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；Xj， yj和Zj分別是第二節(jié)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；ex。，、。和e,。是至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中每一個(gè)的剛性體旋轉(zhuǎn)的三個(gè)分量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中的 每一個(gè)都是六面體單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中的 每一個(gè)都是四面體單元。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)包括至少10度 的運(yùn)動(dòng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，模擬所述結(jié)構(gòu)的大變形包括和旋轉(zhuǎn)包括 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)模擬。
9. 一種在用于輔助用戶改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析中模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的系 統(tǒng)，其特征在于，包括主存儲(chǔ)器，其內(nèi)安裝有有限元分析應(yīng)用模塊；與所述主處理器相連的至少一個(gè)處理器，所述至少一個(gè)處理執(zhí)行所述主處理器內(nèi)的有 限元分析應(yīng)用模塊，使得所述有限元分析應(yīng)用模塊使用所述結(jié)構(gòu)的有限元分析模型來(lái)執(zhí)行 有限元分析，其中所述有限元分析模型包括被配置用于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的至少一 個(gè)特殊用途的實(shí)體單元，該特殊用途的實(shí)體單元包括多個(gè)角節(jié)點(diǎn)和多個(gè)外棱邊，每個(gè)外棱 邊都位于彼此相鄰的一對(duì)角節(jié)點(diǎn)之間，其中的每個(gè)角節(jié)點(diǎn)都包括具有三個(gè)平移分量和三個(gè) 旋轉(zhuǎn)分量的變形，所述一對(duì)相鄰的角節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)變形被配置成使得可從中暗含得到所述每 個(gè)外棱緣的棱邊中部平移變形；以及顯示監(jiān)視器，與所述主存儲(chǔ)器和所述至少一個(gè)處理器相連，被配置用于顯示有限元分 析的結(jié)果。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述有限元分析是時(shí)間推進(jìn)或者時(shí)域分析。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬所述結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)包括 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)模擬。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中的 每一個(gè)還包括剛性體旋轉(zhuǎn)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述每個(gè)外棱邊的棱邊中部的三個(gè)變 形用以下列出的等式計(jì)算 <formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula>其中，uk， vk和wk分別是所述每個(gè)外棱邊的棱邊中部平移變形的三個(gè)分j<formula>formula see original document page 4</formula>e yi和e zi分別是所述一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第一節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三<formula>formula see original document page 4</formula>和e zj分別是所述一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第二節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三<formula>formula see original document page 4</formula>，'個(gè)旋轉(zhuǎn)分量UJ， VJ，，個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Xi， yi和Zi是第一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；Xj， yj和Zj分別是第二節(jié)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；ex。，、。和e,。是至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中每一個(gè)的剛性體旋轉(zhuǎn)的三個(gè)分量。
14. 一種包含指令的計(jì)算機(jī)可讀媒介，所述指令用于控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)一方法在用于輔助用戶改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析中模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)，所述方法包括接收所述結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，該有限元分析模型包括被配置用于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元，該特殊用途的實(shí)體單元包括多個(gè)角節(jié)點(diǎn)和多個(gè)外棱邊，每個(gè)外棱邊都位于彼此相鄰的一對(duì)角節(jié)點(diǎn)之間，其中的每一個(gè)角節(jié)點(diǎn)都包括具有三個(gè)平移分量和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量的變形，所述一對(duì)相鄰角節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)變形被配置成使得可從中暗含得到所述每一外棱邊的棱邊中部平移變形；以及執(zhí)行有限元分析，其中該有限元分析被配置成使用至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的計(jì)算。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的計(jì)算機(jī)可讀媒介，其特征在于，所述每個(gè)外棱邊的棱邊中部的三個(gè)變形用以下列出的等式計(jì)算<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>其中，Uk， Vk和Wk分別是所述每個(gè)外棱邊的棱邊中部平移變形的三個(gè)分量；Ui， Vi， Wi， e xi， e yi和e zi分別是所述一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第一節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Uj，Vj，Wj， exj， 9yj和ezj分別是所述一對(duì)節(jié)點(diǎn)中的第二節(jié)點(diǎn)的變形的三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量；Xi， yi和Zi是第一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；Xj， yj和Zj分別是第二節(jié)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；ex。， 9v。和e,。是至少一個(gè)特殊用途的實(shí)體單元中每一個(gè)的剛性體旋轉(zhuǎn)的三個(gè)分量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在用于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析中模擬結(jié)構(gòu)的大變形和旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)和方法。根據(jù)一方面，一種特殊用途的實(shí)體有限元被配置用于模擬結(jié)構(gòu)的大變形和/或旋轉(zhuǎn)。該特殊用途的實(shí)體有限元僅包括角節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度(DOF)，三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被配置成具有平移變形和旋轉(zhuǎn)變形，平移和旋轉(zhuǎn)變形中的每一個(gè)都具有三個(gè)分量，每個(gè)分量對(duì)應(yīng)于六個(gè)自由度中的一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該特殊用途的實(shí)體單元具有多個(gè)外棱邊。每個(gè)外棱邊有兩個(gè)端部，每個(gè)端部位于相鄰的一個(gè)角節(jié)點(diǎn)處。此外，每個(gè)外棱邊的棱邊中點(diǎn)處的平移變形暗含在兩個(gè)相鄰角節(jié)點(diǎn)的平移和旋轉(zhuǎn)變形中。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101751500SQ20091022132
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
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