[发明专利]用于加快显式有限元分析的自适应时间缩放

说明书

一种用于加快针对已建模系统或工艺的显式有限元分析(FEA)模拟的方法包括：根据基准时间间隔，通过FEA计算网络进行显式FEA模拟的初始迭代；以及为已建模系统或工艺计算预定的一组缩放尺度的尺度比。本方法包括：通过所述FEA计算网络，采用所述尺度比来确定时间缩放系数，作为所述尺度比的函数，然后并将所述时间缩放系数施加于所述基准时间间隔，从而产生缩放的时间间隔。所述缩放的时间间隔缩短了FEA模拟的模拟时间。本方法包括：按照所述缩放的时间间隔，采用所述FEA计算网络进行显式FEA模拟的后续迭代。重复本过程进行后续迭代，每次迭代对所述时间缩放系数进行调整。

关于联邦政府资助的研究的声明

本发明是在美国政府的支持下根据美国能源部授予的协议/项目DE-AC05-00OR22725做出的。美国政府对本发明享有某些权力。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年10月24日提交的名为“用于加快瞬态热应力问题的有限元数值分析的自适应时间缩放方法”的美国临时专利申请No.62/749,719的权利，其全部内容通过引用并入本申请中。

技术领域

本发明属于有限元分析(FEA)技术的改进。尤其在本文中公开了一种方法和相关的计算网络，旨在改进缩放技术(在本文中等效地视为时间缩放和质量缩放)。本发明旨在改进在非线性结构系统和/或瞬态热问题的FEA模拟及分析中应用的时间缩放方法。

背景技术

通常，FEA是在工程学科范围内常用的数值问题解决方法，例如，常用于复杂热机械系统的特性预测、构建前的结构分析、流体流动或传热问题的增量分析等。

通过求解被分析的系统或工艺的复杂数学模型，FEA方法有助于评估对特定的一组输入尺度或刺激因素的实际系统响应。FEA分析结果可采用三维彩色效果图来描述，以显示特定的系统响应，例如：应力或应变的分布、温度梯度、变形、压力分布等。模拟响应最终用于优化物理系统和/或工艺的设计及构建，以便进行后续的测试和验证。

非线性FEA技术可分为显式的和隐式的。决定采用显式还是隐式FEA方法会直接影响计算的速度及可能的并行计算。通常，显式FEA方法利用了对基础模型方程进行解耦的集总质量矩阵。显式FEA方法常用来评估在多个未来时间点给定系统或工艺的状态。相反，隐式FEA方法通常求解包括了系统或工艺的当前和未来状态的方程。这需要额外的计算，因此，隐式FEA方法最常用在被分析的问题是静态或准静态以及替代分析方法不适用的时候。

相对于隐式FEA技术，显式FEA技术因增强的处理能力而更易扩展，从而可通过现代的并行核心计算架构更加容易快捷地实施显式FEA技术。然而，当采用当前的显式FEA技术时，可接受的模拟精度水平通常要求采用小的求解时间增量，因此，尤其是对于持续时间很长(例如，几秒或更久)的制造工艺来说，显式FEA技术不太适合快速分析某些系统或工艺响应，例如但不限于如焊接工艺以及金属和金属结构的增材制造中的非线性和/或瞬态热应力演变的分析。

发明内容

本文公开了一种自适应时间缩放方法，用于加快上述类型的基于显式非线性FEA的分析和模拟。本文中采用的术语“非线性FEA”可包括非线性结构动力学分析和瞬态热分析等。如果将上述分析进行组合，那么问题就被涵盖在了组合的非线性热-结构分析中了，例如，如本文所述的激光焊接工艺模拟。

即，激光焊接是一个非限制性的示例性工艺，其特性适宜采用显式FEA方法。正如本领域的普通技术人员应当了解的是，激光焊接的金属构件在加热期间和之后表现出复杂的、非线性的和瞬态的热响应和力学响应。

通过基于估计误差实时自适应地确定和应用时间缩放系数，本方法解决了分析和模拟时间过长的特定问题。由给定的时间缩放系数导致的误差在求解过程中的不同阶段可能会产生很大的变化，因此，正如本领域的普通技术人员应当了解的是，使用预定的常量时间缩放系数可能不是最合适的。