[发明专利]能够实现实体/SPH耦合作用的混合单元

说明书

技术领域

本发明一般涉及计算机辅助工程分析，特别涉及使用基于有限元法(finiteelement method，FEM)的实体单元与基于平滑粒子流体动力学(smoothedparticle hydrodynamics，SPH)的粒子相结合来对产生大形变的结构进行时间推进式仿真(例如，汽车碰撞或爆炸仿真)的方法和系统，其中在所述实体单元和SPH粒子之间建立至少一层混合单元以实现耦合作用。

背景技术

连续介质力学已被用于仿真诸如固体和流体(即液体和气体)等连续物质。微分方程被用于解决连续介质力学中的问题。大量的数值方法已经在使用。最常见的方法之一是有限元分析(finite element analysis，FEA)或有限元法(FEM)，这是一种广泛应用于工业上的计算机化的方法，用于对与诸如三维非线性结构设计和分析等复杂系统相关的工程问题进行建模和求解。有限元分析的名称源于对所关注的目标物体的几何特征进行描述的方式。随着现代数字计算机的出现，有限元分析已在有限元分析软件中实现。基本上，有限元分析软件提供有关于几何描述的基于网格的模型、以及该模型中每一点处的相关材料性能。在此模型中，所分析的系统的几何特征被表示为各种大小的实体、壳体和梁，这些被称为单元。各单元的顶点被称为节点。该模型是由有限数目的单元组成的，这些单元都被分配有一材料名称以便于与材料性能相关联。因此，该模型表示了被分析的目标物体所占的物理空间以及它的周围环境。有限元分析软件随后涉及一列出了每种材料性能(例如，应力-应变本构方程、杨氏模量、泊松比和热传导率)的表格。此外，指定了目标物体的边界条件(即负荷、物理限制等)。遵循此种方式，建立了目标物体及其环境的模型。

一旦定义了模型之后，可以使用有限元分析软件对特定负荷或初始条件下的物理性能进行数值仿真。有限元分析软件广泛应用在汽车行业中以仿真汽车正面和侧面碰撞、乘坐的假人与安全气囊的相互作用、以及由金属薄板到车体部件的成形过程。这种仿真为工程师提供了宝贵的见解，使得工程师能够提高汽车的安全性，并且更快速地为市场带来新的车型。该仿真是在时域中进行的，这意味着有限元分析是在从首个求解周期开始的多个求解周期中计算的，在每个后续的求解周期中，仿真时间以时间步长ΔT递增。这种仿真被称为时间推进式仿真。

最具挑战性的有限元分析的任务之一是对涉及到产生极大形变的结构的撞击事件进行仿真，例如，汽车碰撞或爆炸仿真。随着现代计算机的改进，工程师不仅要仿真遭到结构破坏的撞击事件中的性能，他们也想在撞击事件完全破坏之前对产生弯曲之后的结构性能进行仿真。但是，很难用有限元分析和实体单元来仿真这些现象。例如，表示保险杠的泡沫材料的实体单元可能被挤压或压缩，变得过于扭曲或压扁，从而成为零体积或负体积，这将导致在仿真过程中产生数值问题(例如，因为数字计算机中的无效数字而仿真失败)。

为了解决零体积或负体积的问题，采用基于平滑粒子流体动力学(SPH)的粒子来替换这些无效的实体单元。然而，FEM和SPH的数学公式不同。为了使粒子和实体单元并存在同一模型中，必须建立一些联系以便于连接粒子和实体单元。现有技术的方法一直采用刚性连接特定粒子与实体单元的连接接口。然而，这种方法因为连接接口的随意放置(即刚性连接)通常会导致仿真结果非常不真实。例如，粒子和实体单元最初可能合理地被连接在一起。但是，当他们以不可预测的形式产生形变时，随意放置的这些刚性连接可能会导致连接非常不符合实际情况。

因此，希望在计算机辅助工程分析模型中提供一种更加真实的接口以使SPH粒子和FEM实体单元可以共存从而避免现有技术方法的问题和缺陷。

发明内容

本发明公开了能够实现SPH粒子和FEM实体之间的耦合作用的混合单元。根据本发明的一个方面，配置混合单元来实现基于FEM的实体单元与基于SPH的一个或多个相应粒子之间的耦合作用。混合单元在计算机辅助工程(CAE)网格模型中被定义为位于SPH粒子和FEM实体之间的缓冲器或者接口。例如，网格模型的一部分由于具有产生持久大形变的可能性而包含有SPH粒子，而该模型的其余部分包括FEM实体单元。混合单元被置于实体和粒子之间。每个混合单元包括两层：实体层和粒子层。

首先，混合单元的耦合作用是通过以下过程实现的：基于FEM计算实体层中的节点加速度、速度和位移以及单元应力；将计算出的该节点量与单元应力状态一起映射到粒子层，其中单元应力状态包括单元的应力值和当前材料状态(例如，弹性、塑性、屈服、应变硬化等)；基于SPH计算粒子层中的内力，并将该内力转移回实体层以计算节点力用于下一求解周期。