本發(fā)明總的涉及計(jì)算機(jī)輔助工程分析，更具體地涉及分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)格模型的創(chuàng)建方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

分層殼狀結(jié)構(gòu)(例如分層的復(fù)合材料)已經(jīng)在從平臺(tái)到飛機(jī)的工程產(chǎn)品中的許多應(yīng)用中被使用，分層或者堆棧的殼狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)特征是，材料的特性在厚度方向上從一層到另一層變化。分層殼狀結(jié)構(gòu)的例子是圖2所示的夾層板系統(tǒng)200。應(yīng)當(dāng)注意，與平面內(nèi)方向的尺寸相比，分層殼狀結(jié)構(gòu)的厚度通常較小。

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析已被用于幫助工程師和科學(xué)家設(shè)計(jì)產(chǎn)品，包括具有分層殼狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。示例性的CAE包括有限元分析(FEA)、邊界元分析(BEA)等。使用CAE的一個(gè)要求是采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)格模型表示產(chǎn)品?，F(xiàn)有技術(shù)中采用在厚度上的不同單元類型和/或材料特性來(lái)創(chuàng)建這種計(jì)算機(jī)網(wǎng)格模型的方法是乏味和/或特設(shè)的。例如，用戶操縱計(jì)算機(jī)網(wǎng)格模型，需要交互式圖形預(yù)處理器。因此，期望有一種用于創(chuàng)建分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)格模型的改進(jìn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了一種創(chuàng)建表示分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型的方法和系統(tǒng)。在一個(gè)方面，在其上安裝有計(jì)算機(jī)輔助工程CAE分析應(yīng)用模塊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，接收二維2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型和分層殼狀結(jié)構(gòu)的用戶規(guī)定的定義。所述2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型包含由多個(gè)2-D基準(zhǔn)單元連接的多個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，所述2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型用于在所述2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型的厚度方向上表示所述分層殼狀結(jié)構(gòu)的中平面，所述用戶規(guī)定的定義包括所述層的數(shù)量和每個(gè)層的特征。根據(jù)從用戶規(guī)定 的定義得到的一組規(guī)則，計(jì)算沿著各基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的法向矢量的一組新的節(jié)點(diǎn)位置；在每個(gè)對(duì)應(yīng)的新節(jié)點(diǎn)位置再生基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建用于定義計(jì)算機(jī)模型的多個(gè)新節(jié)點(diǎn)，所述計(jì)算機(jī)模型表示所述分層殼狀結(jié)構(gòu)；以及根據(jù)所述用戶規(guī)定的定義，在各個(gè)層形成計(jì)算機(jī)模型的對(duì)應(yīng)的有限元。

在結(jié)合附圖仔細(xì)閱讀以下實(shí)施例的詳細(xì)描述下，本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)是明顯的。

附圖說(shuō)明

參照以下的描述、所附的權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)被更好地理解。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行的、用于創(chuàng)建表示分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)格模型的示例性過(guò)程的流程圖；

圖2是根據(jù)示例性分層殼狀結(jié)構(gòu)的透視圖，所述分層殼狀結(jié)構(gòu)可以由本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算機(jī)模型表示；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性分層殼狀結(jié)構(gòu)的透視圖，所述分層殼狀結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)殼體有限元層、以及位于其之間的一個(gè)實(shí)體有限元；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性基準(zhǔn)網(wǎng)格模型的透視圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、圖3中的示例性分層殼狀結(jié)構(gòu)的示例性計(jì)算機(jī)模型的透視圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的法向矢量和所連接的2-D基準(zhǔn)單元的法向矢量的透視圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的殼體有限元層的示例性新節(jié)點(diǎn)位置的示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的實(shí)體有限元層的示例性節(jié)點(diǎn)位置的示意圖，采用從用戶規(guī)定的分層殼狀結(jié)構(gòu)的定義得到的一組規(guī)則來(lái)計(jì)算所述實(shí)體有限元層；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、用于創(chuàng)建表示分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型的新節(jié)點(diǎn)位置的示意圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、分層殼狀結(jié)構(gòu)的兩個(gè)替代的示例性計(jì)算機(jī)模型的透視圖。

圖11為表示計(jì)算系統(tǒng)的主要部件的功能圖，本發(fā)明的實(shí)施例可以在其中實(shí)現(xiàn)。

具體實(shí)施方式

首先參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于創(chuàng)建分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型的示例性過(guò)程100的流程圖。過(guò)程100優(yōu)選地在軟件中實(shí)施，并參照其它附圖理解。圖2示出了示例性的分層殼狀結(jié)構(gòu)200，例如，具有三層的疊層板。分層殼狀結(jié)構(gòu)也可以被稱為堆棧的殼狀結(jié)構(gòu)，例如，圖3示出了這樣的例子。示例性的堆棧或者分層殼狀結(jié)構(gòu)300包含頂部和底部的薄層302-304(采用殼體有限元表示或者建模)、以及其之間的更厚的層310(采用實(shí)體有限元表示或者建模)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，分層殼狀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型不能包含兩個(gè)連續(xù)的殼體有限元層。換句話說(shuō)，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算機(jī)模型中，兩個(gè)殼體有限元層必須被至少一個(gè)實(shí)體有限元層分開(kāi)。

過(guò)程100從動(dòng)作102開(kāi)始，在其上安裝有計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析應(yīng)用模塊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如，圖11的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100)中，接收二維(2-D)基準(zhǔn)網(wǎng)格模型和分層殼狀結(jié)構(gòu)的用戶規(guī)定的定義。2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型表示分層殼狀結(jié)構(gòu)的中平面。圖4所示的示例性的2-D基準(zhǔn)模型400包含多個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)405，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)405由多個(gè)2-D基準(zhǔn)單元410連接。用戶規(guī)定的定義包括層的數(shù)量和每個(gè)層的特征。特征包括每個(gè)層的標(biāo)識(shí)(ID)、每個(gè)層的類型(殼體或者實(shí)體有限元)、每個(gè)層的厚度、以及每個(gè)層的材料特性。此外，如果單元類型是實(shí)體有限元，在厚度方向上的單元數(shù)量也被定義/規(guī)定。

圖5示出了從示例性的2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型500(由實(shí)線和點(diǎn)表示)創(chuàng)建的示例性的計(jì)算機(jī)模型510(由虛線表示)，它在分層殼狀結(jié)構(gòu)的厚度方向上位于中平面上。總厚度T是所有層的厚度之和，如下：

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{t}_i$

其中n是層的總數(shù)，t_i是第i層的厚度。

接下來(lái)，在動(dòng)作104，獲得2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型的每個(gè)2-D基準(zhǔn)單元的單元法向矢量。有許多已知的方法來(lái)獲得這樣的法向矢量，例如，使用四邊形單元的兩個(gè)對(duì)角線矢量的交叉乘積(圖6的虛線)。接下來(lái)，在動(dòng)作106，通過(guò)將所有連接的單元的法向矢量平均，獲得每個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的法向矢量。圖6示出了采用所有連接的基準(zhǔn)單元的法向矢量605a-d獲得基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的法向矢量610的示例性方案。

殼體有限元由它的中平面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和厚度值描述。實(shí)際的物理頂部和底部表面源自于那里，但是這里不表示實(shí)際的節(jié)點(diǎn)。另一方面，實(shí)體有限元節(jié)點(diǎn)真實(shí)地描述離散體的實(shí)際幾何形狀，即，實(shí)際位于表面上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)。這種差異導(dǎo)致以下事實(shí)：殼體和實(shí)體單元在疊層系統(tǒng)的厚度方向上的組合需要特殊的策略。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，兩個(gè)連續(xù)的層一直共享它們之間相同的節(jié)點(diǎn)，即所有的層被牢固地連接。這種情況和之前描述的殼體和實(shí)體有限元之間的差異導(dǎo)致必要性：如果殼體和實(shí)體單元在堆棧順序上緊隨彼此，則它們部分地重疊。

采用層級(jí)別生成方案(layer-wise generation scheme)，創(chuàng)建計(jì)算機(jī)模型的新節(jié)點(diǎn)和相關(guān)聯(lián)的有限元。每個(gè)層的新節(jié)點(diǎn)僅僅是在厚度方向上移位的基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的副本。因此，中平面和垂直于中平面(即，由基準(zhǔn)網(wǎng)格模型表示的平面)的局部方向矢量之間的距離或者新節(jié)點(diǎn)位置需要被計(jì)算。

在動(dòng)作108，根據(jù)從用戶規(guī)定的定義得到的一組規(guī)則，計(jì)算沿著各基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的法向矢量的一組新的節(jié)點(diǎn)位置，規(guī)則如下：

a)對(duì)于每個(gè)殼體有限元層，要求一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置來(lái)表示層的中平面；以及

b)對(duì)于每個(gè)實(shí)體有限元層，要求兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置來(lái)表示實(shí)體有限元層的下側(cè)和上側(cè)。

為了確定節(jié)點(diǎn)位置，以下公式被用于實(shí)體有限元層i：

1)當(dāng)實(shí)體有限元層i被另一個(gè)實(shí)體有限元層緊隨或者沒(méi)有被任何有限元層緊隨(最后一層)時(shí)：

2)當(dāng)實(shí)體有限元層i被殼體有限元層i+1緊隨時(shí)，

3)當(dāng)實(shí)體有限元層i被另一個(gè)實(shí)體有限元層或者沒(méi)有被任何有限元層領(lǐng)先(第一層)時(shí)，

4)當(dāng)實(shí)體有限元層i被殼體單元層i-1領(lǐng)先時(shí)，

其中z_i是中平面的坐標(biāo)，t_i是實(shí)體有限元層i的厚度，t_i+1和t_i-1分別是相鄰的殼體有限元層的厚度。

為了論證用于計(jì)算實(shí)體有限元層的節(jié)點(diǎn)位置的一組公式，示意圖在圖8中示出。

圖7是具有三個(gè)層(殼體-實(shí)體-殼體)的計(jì)算機(jī)模型的示意圖。坐標(biāo)系統(tǒng)Z的原點(diǎn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)(即，由基準(zhǔn)網(wǎng)格模型表示的)的中平面上。使用三個(gè)層的厚度(t₁、t₂、t₃)來(lái)計(jì)算三個(gè)中平面的坐標(biāo)(Z₁、Z₂、Z₃)。

回到過(guò)程100，接下來(lái)在動(dòng)作110，通過(guò)以層方式(也就是，一次復(fù)制一個(gè)層上的全部基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn))在每個(gè)新節(jié)點(diǎn)位置再生基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建用于定義計(jì)算機(jī)模型的新節(jié)點(diǎn)，所述計(jì)算機(jī)模型表示分層殼狀結(jié)構(gòu)。

接下來(lái)，在動(dòng)作112，根據(jù)用戶規(guī)定的定義，在各個(gè)層形成對(duì)應(yīng)的有限元。

新節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)有限元的生成從底層開(kāi)始，且向上通過(guò)全部數(shù)量的層，直至頂層。通過(guò)將各個(gè)距離與節(jié)點(diǎn)法向矢量相乘，得到每個(gè)殼體有限元的新節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。如果必須為一個(gè)層在厚度上創(chuàng)建多于一個(gè)的實(shí)體單元，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在高度上均勻分布。采用2-D基準(zhǔn)網(wǎng)格模型內(nèi)的平面內(nèi)連通性邏輯，生成新的有限元。圖9示出了分層殼狀結(jié)構(gòu)900，包含殼體有限元的兩個(gè)外層、以及內(nèi)層的三個(gè)實(shí)體有限元。四個(gè)新節(jié)點(diǎn)位置910需要被計(jì)算。頂部和底部節(jié)點(diǎn)912-914由殼體和實(shí)體有限元共享。最后，每個(gè)層被賦予它自己的標(biāo)識(shí)符(ID)、材料特性、以及特定有限元類型。

使用這種技術(shù)，不僅可以基于用戶規(guī)定的定義來(lái)自動(dòng)產(chǎn)生計(jì)算機(jī)模型，還允許不同的有限元類型(即，殼體和實(shí)體有限元)以任意的方式堆棧在彼此的頂部。圖10示出了兩個(gè)這樣的例子。第一個(gè)例子1010具有從底部至頂部的順 序：殼體(虛線)、兩個(gè)厚的實(shí)體、殼體(虛線)、三個(gè)薄的實(shí)體和殼體(虛線)。第二個(gè)例子1020具有殼體(虛線)、兩個(gè)厚的實(shí)體和兩個(gè)薄的實(shí)體。

根據(jù)一方面，本發(fā)明涉及一種或多種能夠執(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)1100的例子在圖11中示出。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100包括一個(gè)或多個(gè)處理器，例如處理器1104。處理器1104連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信總線1102。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)明白如何使用其它計(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)1100還包括主存儲(chǔ)器1108，優(yōu)選隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，還可包括輔助存儲(chǔ)器1110。輔助存儲(chǔ)器1110包括例如一個(gè)或多個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器1112和/或一個(gè)或多個(gè)可移除存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1114，它們代表軟磁盤機(jī)、磁帶驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器等?？梢瞥拇鎯?chǔ)驅(qū)動(dòng)器1114用已知的方式從可移除存儲(chǔ)單元1118中讀取和/或向可移除存儲(chǔ)單元1118中寫入?？梢瞥鎯?chǔ)單元1118代表可以由可移除存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1114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1118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。

在替代性實(shí)施例中，輔助存儲(chǔ)器1110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)1100。這樣的機(jī)制包括例如可移除存儲(chǔ)單元1122和接口1120。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)、可移除存儲(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、以及其它可移除存儲(chǔ)單元1122和允許軟件和數(shù)據(jù)從可移除存儲(chǔ)單元1122傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100的接口1120。通常，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100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)。

可能還設(shè)有連接到總線1102的通信接口1124。通信接口1124允許軟件和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100和外部設(shè)備之間傳遞。通信接口1124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)1100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1124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1124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)1100的數(shù)據(jù)包。在這份文件中，用語(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，例如可移除存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1114和/或設(shè)置在硬盤驅(qū)動(dòng)器1112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)1100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)1100還包括輸入/輸出(I/O)接口1130，它使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100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1106存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器1108和/或輔助存儲(chǔ)器1110中。也可通過(guò)通信接口1124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)1100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1104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)1100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，并可使用可移除存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器1114、硬盤驅(qū)動(dòng)器1112、或者通信接口1124加載到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1100中。應(yīng)用模塊1106被處理器1104執(zhí)行時(shí)，使得處理器1104執(zhí)行如在此所述的本發(fā)明的功能。

主存儲(chǔ)器1108可被加載有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用模塊1106，所述應(yīng)用模塊1106可被一個(gè)或多個(gè)處理器1104執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)期望的任務(wù)，所述處理器可具有或不具有通過(guò)I/O接口1130輸入的用戶輸入。在運(yùn)行中，當(dāng)至少一個(gè)處理器1104執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用模塊1106時(shí)，結(jié)果被計(jì)算并存儲(chǔ)在輔助存儲(chǔ)器1110(也就是，硬盤驅(qū)動(dòng)器1112)中。有限元分析(例如具有由復(fù)合材料制成的部分的結(jié)構(gòu)的模擬)的狀態(tài)以文字或者圖形表示的方式通過(guò)I/O接口1130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(kāi)的示范性實(shí)施例做出各種修改和改變。例如，雖然已經(jīng)采用四邊形基準(zhǔn)單元描述和圖示了示例性的基準(zhǔn)網(wǎng)格模型，但其他類型的基準(zhǔn)單元也可以完成相同的基準(zhǔn)網(wǎng)格模型，例如三角形基準(zhǔn)單元?？傊景l(fā)明的范圍不限于在此公開(kāi)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)的精神和范圍以及所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。