[发明专利]用于材料本构建模的系统和方法

说明书

根据优选实施方式，本发明提供了一种计算装置和方法，以高效地预测材料行为并最小化所需的计算资源，以获得精确模拟。根据另外的优选实施方式，本发明针对每个材料点或积分点或本构模型跟踪用于建模的元件/对象的一部分的驱动变量的历史。根据另外的优选实施方式，本发明仅将在一定的宽容度内的驱动变量的唯一历史映射到实际积分点的和/或本构模型的数据结构，以便优化在确定的边界条件下对整个建模的元件/对象进行建模所需的数据量。根据另外的优选实施方式，本发明其后动态地将材料响应链接到建模的元件/对象中的本构模型和/或每个积分点。根据另外的优选实施方式，本发明还平衡了跨可用计算资源的分析工作量，以提供最大化的性能。根据另外的优选实施方式，本发明还通过使用以存储/检索针对材料定义和驱动变量的给定历史获得的结果的数据库来降低计算需要。

相关申请

本申请要求2016年5月10日提交的美国临时申请No.62/334,069的优先权。

技术领域

本发明一般涉及计算机建模，并且特别涉及一种用于材料本构建模的方法。

背景技术

本构模型描述了给定材料的物理性质。在物理学和工程学中，本构方程式或本构关系是两个物理量(特别是与运动学量相关的动力量)之间的关系，这两个物理量特定于材料或物质并且其近似于该材料对通常作为施加的场(field)或力的外部刺激的响应。近年来，使用本构模型到使用计算机模拟设计模型的物理运动已变得越来越普遍。这些模型在热传导分析、流体分析、结构分析、电磁场分析、电磁波分析等方面具有广泛的用途。

为了在计算机中模拟物理模型，需要数值方法。用于常微分方程式(ODE)的数值方法是用于求常微分方程式的解的数值近似的方法。在各种现有的数值方法中，最常用中的两种是有限元法(FEM)和边界元法(BEM)。

为了求ODE的数值解，通常需要数值积分。在数值方法中，数值积分构成了用于计算定积分的数值的广泛算法族，并且通过扩展，该术语有时也用于描述微分方程式的数值解。数值积分方法通常可以描述为结合被积函数的评估以获得积分的近似值。被积函数在称为积分点的有限点集处进行评估，并且这些值的加权和用于对积分近似。积分点和权重取决于所使用的特定方法和近似所需的精确度。

在数值场景中，我们将本构模型称为数据结构，定义常量、变量和方法用于计算材料的本构行为，包括但不限于线性和非线性材料响应和失效。

随着他们的使用增加，待分析的对象模型变得越来越复杂。此外，将多种类型的模拟应用于对象模型的实例也增加了。另外，当前的数值方法和现有的代码针对每一个(eachand every)积分点定义了一个本构模型，意味着计算和存储材料行为所需的所有变量针对每一个积分点独立地定义。对于大问题，这需要大量的计算资源(即存储器、CPU处理时间)，因为存储器分配和计算对于每一个积分点是唯一的。

最近，随着多尺度法的发展，其中使用亚尺度(sub-scale，分量表)模型来获得异构介质的本构行为，并因此完全模型嵌套到积分点，对计算资源的需要更进一步提高。

所需要的是一种在不需要大量计算资源的情况下允许在大模型中计算复杂材料行为的方法。

发明内容

本发明通过提供减少对材料行为进行建模所需的计算数量和存储器量的工具和方法克服了现有技术的限制。如下面详细讨论的，本发明的改进的方法提供了用于以更高效的方式对数据集进行定义、识别和处理的工具。下面讨论的工具在针对各种计算任务的处理精确度和速度方面取得了显著和令人惊讶的提高。