[发明专利]在有限元分析中建立数字模拟刚体的方法和系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及计算机辅助工程分析，更具体而言，涉及在有限元分析中建立模拟刚体(RB)的系统和方法，其不需要明确定义机械工程设计模拟(例如在容器中装填数百万个颗粒)中使用的刚体标识符。

背景技术

计算机辅助工程(CAE)已在多种工作中帮助工程师。例如，在结构或工程产品设计步骤中，CAE分析，特别是有限元分析(FEA)常常用于各种模拟的负荷条件(例如静态或动态)下评估模拟的响应(例如压力、位移等)。

FEA是工业中广泛使用的计算方法，其模拟(即建模和求解)与复杂产品或系统(例如汽车、飞机、消费品等)相关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名称源于考虑的对象的几何形状被指定的方式。几何结构由单元和节点定义。多种单元存在，实体单元用于体积或连续体，外壳或平板单元用于表面，梁或桁架单元用于一维结构对象。每个单元的几何结构由节点定义，例如，砖形或六面体单元包括八个角节点。

一般地，这些单元在负荷条件下是可变形的。然而，在特定应用中，需要刚性有限元或刚性单元。刚性单元在任何负荷条件下均不变形。刚性单元可用于结构部件的建模，例如螺栓、离散颗粒或刚体。为了建立刚体模型，现有技术的一种方法是建立刚体型单元。所有刚体需要利用标识每个刚体的标识符定义。例如，若在有限元分析模型中有两不同刚体，必须创建两个唯一标识符，从而将分配有两个唯一标识符中的一个的刚性单元组合到一起。对于每个刚体，依据包含在刚体中的刚性单元的几何结构计算出惯性。这种方法用于相对较小数量的刚体时是简单的，但是当有限元分析模型包含了大量的刚体(例如数以万计)时，这种方法是不可行的。这将需要大量的劳动力(即成本)来定义大量的刚体，因此在生产环境中并不可行。

目前的大多数工程模拟需要这种能力(即具有数以百万计的刚体)，例如模拟将数以百万计的颗粒装填入容器。因此，人们期望有在不用复杂地为每个刚体提供特别标识符的情况下有效地定义和建立大量刚体的方法和系统。每个刚体可包含任意数量的设置为任意形状的刚性有限元。

发明内容

本发明公开了一种用于在不需要明确地定义任何刚体标识符的情况下在有限元分析中定义和建立模拟刚体的方法和系统。依据本发明一方面，在有限元分析模型中定义一个或多个刚性单元或刚性有限元。例如，刚性单元可以定义为具有特别指定的材料。刚性单元构建为用于形成一个或多个模拟刚体的一部分。每个模拟刚体包括以任意方位相互连接的任意数量的刚性单元。在输入描述或定义中不需要针对刚体的标识符。

依据本发明另一方面，每个刚体用刚性单元的唯一链表表示。为定位嵌入有限元模型或有限元分析模型中的刚体，下面说明建立所有链表(即刚体)的程序。该程序循环通过所有刚性单元仅一次。对于每个刚性单元，有三种可能情形：

(1)其相邻刚性单元都还不是链表的一部分；

(2)作为一链表的一部分的其所有相邻刚性单元都是同一链表的一部分；

(3)其相邻刚性单元来自不同链表。

在识别和建立了所有代表刚体的链表之后，根据包含在其中的相应刚性单元计算出每个刚体的物理性质。工程产品(例如汽车、飞机、颗粒、消费品等)的有限元分析随后可在包括所有刚体的正常方式下完成。在一代表性应用中，将大量粒状的颗粒建模为刚体，每个粒状的颗粒一个刚体。刚体之间的相互作用(例如接触、碰撞等)可利用有限元分析来计算或模拟。

通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1A和图1B结合起来是说明依据本发明实施例的在有限元分析中建立数字模拟刚体的代表性方法的流程图；

图2是示出有限元分析模型的代表性实体单元的示意图；

图3是示出依据本发明实施例的代表性模拟刚体的示意图；及

图4是示出计算机系统的主要组成部分的功能框图，本发明的实施例可在该计算机系统中实施。

具体实施方式

首先参照图1A和1B，示出了说明依据本发明实施例的在有限元分析中建立模拟刚体以帮助用户在工程产品(例如汽车、飞机)的改进方面做出设计决策的代表性方法100的流程图。优选地，在软件中实施方法100。