[發明專利]使用FONVL有限元數值模擬結構特性的系統和方法

在審

• 申請號: 201810302927.9
• 申請日: 2018-04-06
• 公開（公告）號: CN108984814A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 韓志東
• 申請（專利權）人: 利弗莫爾軟件技術公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳永慧知識產權代理事務所(普通合伙) 44378
• 代理人: 宋鷹武

公開了用于數值模擬產品的結構特性的系統和方法。在計算機系統中接收表示產品的FEA模型。FEA模型包含通過一階非“體積鎖定”(FONVL)有限元連接的節點。每個FONVL有限元都在相應的邊界處配置有體積DOF。通過使用FEA模型進行時間推進模擬來獲得產品的數值模擬的結構特性。在每個FONVL有限元的模擬的每個求解周期，基于對應的一個體積DOF計算相應邊界處的體積變化；然后使用所計算的體積變化以及相應邊界的代表性坐標來求解定義每個FONVL有限元的體積應變分布的線性公式的未知系數。

技術領域

本發明總的涉及用于計算機輔助工程分析領域的方法、系統和軟件產品，更具體地涉及用于獲得產品的數值模擬結構特性的方法和系統，所述產品采用一階非“體積-鎖定“(first order non-volumetric-locking，FONVL)有限元建模。

背景技術

隨著計算機技術的進步，計算輔助工程(CAE)和計算機輔助設計(CAD)已經被用于協助工程師/科學家來設計各種行業(例如，汽車、航空等)中的產品。一種首先發展的CAE技術是有限元分析(有限元分析)，它是在行業中廣泛用于建模和求解與復雜系統(例如三維非線性結構設計和分析)相關的工程問題的計算機方法。有限元分析的名字源于被考慮的物體的幾何形狀被規定的方式。

有限元分析軟件提供了幾何形狀描述的模型、以及模型(有時候指的是有限元分析網格模型)內的每個點的相關材料特性。在這個模型中，被分析的系統的幾何形狀由各種尺寸的實體、殼體以及梁表示，它們被稱為有限元。有限元的頂點被稱為節點。模型包括有限數量的有限元，它們被賦予材料名稱，從而將單元與材料屬性相關。因此模型表示被分析的物體沿著它周圍的環境所占用的物理空間。然后有限元分析軟件引用了表格，在表格中每種材料類型的屬性(例如，應力-應變構成等式、楊氏模量、泊松比、導熱性)都被制成表格。此外，還規定了物體的邊界條件(也就是，負荷、物理約束等)。用這種方式，創建物體和它的環境的模型。

在CAD中，物理對象/產品的外表面由多個連接的三角形(即，多邊形)的三維線框表示。為了表示物理對象的整體體積，從表面模型生成四面體。傳統地，CAD自動生成的模型由于幾個問題而不能用于有限元分析。例如，通過使用分段線性形狀函數，傳統的三角形和四面體單元在一個高斯積分點的情況下在計算上是高效的。這種線性形狀函數是大多數接觸算法所需要的。然而，已知的體積鎖定問題限制了這些簡單單元在一般有限元分析應力分析中的使用。圖1示出了線性三角形有限元102的典型體積鎖定問題。單元102由三個節點111、112和113定義，垂直點負荷F 120在節點111處向下推。節點112和113是固定的。由于單元102的線性形狀函數，邊緣121、122和123是直的。如果材料幾乎不可壓縮(例如，泊松比接近0.5)，則只允許節點111的水平運動。因此，假定變形的單元102完全不變形(在圖1底部的示意圖中示出)。這種逼真的模擬結果被稱為體積鎖定。對于有限元分析領域的普通技術人員而言，將知道體積鎖定問題可以類似地在三維空間中的線性四面體有限元中出現。

為了解決體積鎖定問題，一種現有技術的方法使用更高階的單元。但是，這可能會用于靜態應力分析。非線性形狀函數會在使用顯式求解器的動態分析中引起時間步驟問題。由于彎曲的接觸表面，接觸算法也將變得代價很高。

另一種現有技術方法使用立方體氣泡函數作為形狀函數。然而，這會造成其他缺陷，例如在形狀函數中損失克羅內克符號屬性(Kronecker delta property)，從而破壞了使用有限元分析的目的。

因此希望有用于數值模擬產品的結構特性的改進方法和系統，所述產品采用沒有體積鎖定的有限元建模。

發明內容