[发明专利]模拟撞击事件中产品结构行为的方法、系统和存储媒介

说明书

技术领域

本发明总的涉及计算机辅助工程分析，更具体地，涉及用于创建接触表面定义的方法和系统，该接触表面定义包括有限元分析模型中的低阶线性和二次有限元的组合，该有限元分析模型表示在撞击事件的数字模拟中使用的产品。

背景技术

计算机辅助工程分析(CAE)已在很多任务中用于支持工程师。例如，在结构或产品设计程序中，CAE分析特别是有限元分析(FEA)，常常用来评估不同负荷条件下(例如静态的或者动态的)的响应(例如应力、位移等等)。

有限元分析(FEA)是用计算机处理的方法，在工业中广泛用来对与诸如三维非线性结构设计和分析等复杂产品或系统(例如汽车、飞机等)相关的工程问题进行模拟(也就是建模和求解)。有限元分析的名称源于对所关注的物体的几何特征进行描述的方式。该几何特征由单元和节点定义。已有多种类型的单元，如用于体积或连续统一体的实体单元、用于表面的壳或板单元，以及用于一维结构对象的梁或桁架单元。一种最具有挑战性的模拟与FEA模型中两个或多个位置的接触相关。

模拟接触通常用于两个或多个物体的接触事件，例如，汽车撞击、金属板材成型等。为了数字模拟这样的事件，现有技术的方法已经使用了被称为面-面接触的技术，因为多数有限元模型包括有二维的3或4节点低阶壳或实体单元，这些单元的外表面由三角形或者四边形表示。为了执行面-面接触模拟，用户需要指定有限元分析模型中的哪些表面被纳入模拟。在某些环境中，每个接触面在撞击事件中都可折叠并且自身接触。为了简化用户输入，用于这种情形(自身接触)的最新方法是，将所有的表面包含在一个单独的自身接触表面定义中，该定义例如一般在汽车撞击模拟中执行(也就是，将整个汽车指定为一个单独的自身接触表面)。

对于计算效率而言，有限元分析模型包括非二次低阶有限元(也就是，仅由角节点定义的有限元，例如图1所示的3节点三角形单元101、4节点四边形单元102、4节点四面体单元103、8节点六面体单元104)。随着更快的计算机系统的出现，有些用户希望在有限元分析模型中包括二次有限元(也就是，由不仅仅是角节点定义的有限元202、204、206、252、254，如图2A和2B所示)。但是，定义接触表面的现有方法不能在不显著降低性能的情况下兼容二次有限元。因为接触处理几乎与在现实数字模拟中处理单元和节点一样耗时，已经花费了许多年以确保接触尽可能被优化，以减少计算机运行时间。用于寻找接触点的闭合解被用于低阶片断，且相同类型的片断被一起处理以提高效率。用于寻找接触点的精确和稳健的闭合解对于二次有限元来说是不可用的，这会导致接触点的迭代解。这样的迭代解目前不是稳健的，因为撞击模拟中的剧烈负荷会使表面严重变形。在同一接触表面定义中同时包括低阶和高阶接触表面片断(也就是，线性和二次有限元)，会在不同的片断类型之间产生交互，这些不同的片断类型要求计算机软件中特定的分支处理，这最终会毁损计算效率。分支处理要求检验例如：1)接触中的低阶3和4节点片断，2)接触中的二次6和8节点片断，以及3)接触中的低阶和二次片断。

此外，界面力数据库显示贯穿接触表面的表面压力和剪切应力分布。在渲染数据的同时，以用户定义的时间间隔写入该数据库，用于在目前缺少处理二次接触表面的便利性的软件产品中进行后处理。因此，以目前的形式保存当前数据库以使得接触应力分布可视化是绝对必要的。

因此，期望有一种创建接触表面定义的方法和系统，该接触表面定义包含了撞击事件数字模拟中使用的有限元分析模型中的二次和低阶线性有限元的组合。

发明内容

本发明公开了一种创建接触表面定义的方法和系统，该接触表面定义包括用于数字模拟撞击事件的有限元分析(FEA)模型中的二次有限元。根据本发明的一方面，在其上安装有有限元分析应用模块的计算机系统中接收有限元分析模型，该有限元分析模型表示在撞击事件的时间推进模型中使用的产品。通过包括线性和二次有限元的一组或多组有限元来组织有限元分析模型。每组有限元都被指定用于表示一个产品部件，并由部件标识符(ID)来标识。此外，该有限元分析模型被配置有一个或多个接触表面定义，用于检测由于撞击事件而导致的部件之间的接触。