[发明专利]用于结构分析的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于部件的结构分析的方法和设备，该方法和设备具体应用于但不局限于确定经过负载的物体内的变形和应力分布，具体地说，应用于喷射铸造(injection molded)的零件的分析，以在外部或内部负载的情况下，确定它们的变形和应力水平。

本发明更具体应用于薄壁结构(thin walled structure)的结构分析，所述薄壁结构的最重要的几何特征在于一个维，即厚度，至少比其它两维小几倍。这类结构的实例是金属、陶瓷或聚合材料的喷射铸造的零件、金属铸件、以及由金属片形成的结构。

背景技术

部件和零件的制造商，尤其是通过喷射铸造法，宁愿将零件的结构分析移至设计过程的上游，以便减少设计成本以及推向市场的时间。为了满足设计工程师的要求，现有产品综合了有限元分析(FEA)和计算机辅助制图(Computer Aided Drafting，CAD)。Pro-Engineer(商标)、CATIA(商标)、I-DEAS(商标)、Solid Works(商标)以及Solid Edge(商标)品牌的立体(solid)铸造组件(package)普遍应用于机械设计和制图。这些组件用于产生三维的、图片逼真的部件几何体(称为“立体模型”)的描述。目前，直接基于立体模型的结构分析组件使用了诸如四面体和六面体的立体元(solidelement)。

对于立体模型的结构分析，由立体模型确定的区域被分成多个所谓的立体元的小元。该过程称为网格化(meshing)，而且其结果的立体元集合称为立体网格(mesh)。立体元通常是简单的几何立体，如四面体或六面体。近几年即使对于复杂的零件也已经改进了立体网格的生成，但这极少是自动的。用户经常需要从立体模型中消除特征以使网格成功地生成。这样十分耗时，并且在极端的情况下有必要重新塑造(remodel)部件或部件的某些区域。

至少在确定部件在负载情况下的结构反应方面，立体元的应用在理论上不领先于用于薄壁结构的壳体元(shell element)的应用。但是大部分的部件塑造(modelling)是在立体塑造系统中完成的，从而立体元的应用更普遍并且在几何立体模型和用于分析的网格之间允许更好的界面。由于部件是薄壁因而会产生特殊问题。在这种情况下，为了获得准确的结果，有必要保证在厚度方向上具有几个规则的(well-shaped)立体元。这在模型中会导致大量的元，因此需要较长的计算时间和大容量存储器。尽管可以使用更高阶元来减少贯穿厚度的元的数量，但是这类网格的生成还是十分困难。为了减少大立体元模型的尺寸，用户可以增加特性元维数并对几何体重新网格化。自动网格生成器然后将会生成很少的元，但由于太少的元会使结果的有限元网格不能够模拟真实的应力分布。而且贯穿厚度具有不足数量的元的立体元网格还会引起其它问题，例如病态刚性矩阵、纯弯曲以及弯曲占优(bending-dominated)的结构反应的剪应力锁定(sheer locking)和劣质仿真。这严重影响了有限元分析的可靠性。

薄壁结构通常由平板和壳体部件组成。现在存在着几种用于平板和壳体的经典理论。特别熟知的是基尔霍夫理论以及Mindlin-Reissner理论。在基尔霍夫理论中，假定在变形之前到中间表面(midsurface)的法线保持是直的并在变形之后与中间表面正交。Mindlin-Reissner理论假设在变形之前到中间表面的法线保持是直的，但在变形之后不必与平板正交。正交于中间表面的应力在两个理论中都被忽略。在过去的35年中基于不同的平板和壳体理论已经建立了许多种平板和壳体元。这允许准确的薄壁结构的有限元分析，但需要从CAD系统的立体几何体中导出的模型。用于分析的壳体元模型由平面的或曲面的壳体元的格子(lattice)组成。通常，元的形状具有简单的几何形状，如三角形或四边形。元的厚度没有明确地显示在元上，尽管它是元的特性。壳体元模型可以通过在立体模型的外壁之间存在的虚拟表面上形成壳体元的网格而从立体几何体中产生。该表面通常被称为立体模型的中间平面的表面。在所有情况下都不可自动定义中间平面表面，从而壳体元模型的生成经常是包括构造用于分析的单独模型的烦琐的任务。