[發明專利]一種基于等效質點假設的熱力特性數值模擬方法及系統

在審

• 申請號: 202010933587.7
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112149286A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 殷亞軍;龐楠;周建新;計效園
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發明屬于數值模擬算法相關技術領域，其公開了一種基于等效質點假設的熱力特性數值模擬方法，該方法包括：S1，將三維實體等效為由多個等效質點組成的空間幾何；S2，為相鄰的等效質點間建立連接關系，并獲取時刻t時連接關系中的熱平衡距離和幾何平衡距離以及溫度場；S3，獲取下一時刻t+dt時的溫度場，根據時刻t與時刻t+dt的溫差更新熱平衡距離，并根據更新后的熱平衡距離獲得對應的更新后的幾何平衡距離，以此方式直至溫度場變化結束，以獲取三維實體在整個溫度場變化過程中的熱變形。另外還提供了一種基于等效質點假設的熱力特性數值模擬系統。本申請基于平衡距離建模，不需要在模型中加入沒有物理事實的點約束或面約束，提高求解的精度和速度。

技術領域

本發明屬于數值模擬算法相關技術領域，更具體地，涉及一種基于等效質點假設的熱力特性數值模擬方法及系統。

背景技術

目前鑄造過程中熱應力模擬技術主要基于有限元法、有限體積法和有限差分法等數值模擬方法。有限差分法應用于溫度場的模擬較為成熟，但對幾何形狀不規則的復雜零件進行模擬時受到一定限制；有限元法能適應復雜形狀的零件，但有限元法計算過程較為復雜，且計算量較大。

鑄造過程中熱應力模擬采用的理論模型都是描述熱彈塑性力學問題的偏微分方程，該方程基于靜力平衡、幾何關系和本構方程，以及物體表面上外載荷和內應力的受力平衡所構建，在這種理論模型的框架下，熱力過程被描述為準靜態過程，即過程中系統偏離平衡狀態無限小且隨時恢復平衡狀態。基于此種情況，目前的研究和商業軟件都采用靜態的隱式算法來計算熱應力，這種方法在每一增量步內都需要對靜態平衡方程進行迭代求解，并且每次迭代都需要求解大型的線性方程組，雖然隱式算法中的增量步相較顯式算法而言要大得多，但實際計算過程中受到非線性程度的限制，并且對于接觸和摩擦等高等非線性問題并不友好，需要反復迭代計算并且可能產生解的漂移。而鑄件凝固過程涉及到材料非線性與接觸問題的非線性，是典型的非線性問題，并且隨著鑄件的結構越來越復雜，用于描述其結構的網格也相對越來越多，采用隱式算法構建的線性方程組也越來越大，以上原因顯示，由于非線性問題和網格數量的增加，隱式算法的計算量非常龐大。其次，基于熱彈塑性理論的平衡方程描述物體熱變形過程時必須要約束固體的自由度，例如，放置于平面上的物體的熱變形，必須要加入沒有物理事實依據的點或者面約束才能進行求解，這也影響求解結果的精度。

因此，目前鑄造過程中熱應力數值模擬計算計算量過大，且靜態隱式算法難以適用于非線性條件下的模擬計算等問題，亟需提出一種新的鑄件凝固過程熱變形、熱應力模型及對應的算法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于等效質點假設的熱力特性數值模擬方法及系統。通過將三維實體等效為多個等效質點，三維實體在溫度場的作用下會出現熱力變形，通過等效質點受溫度變化的熱平衡距離驅動幾何平衡距離，實現三維實體的熱力變形，該模型不是基于應力守恒而是基于平衡距離建模，不需要在模型中加入沒有物理事實的點約束或面約束，提高求解的精度。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于等效質點假設的熱力特性數值模擬方法，所述方法包括：S1，將三維實體等效為由多個等效質點組成的空間幾何；S2，為相鄰的等效質點間建立連接關系，并獲取時刻t時所述連接關系中的熱平衡距離和幾何平衡距離以及溫度場，其中，所述熱平衡距離為兩等效質點間與溫度相關的等效距離，所述幾何平衡距離為確定溫度下等效質點與其相鄰等效質點的穩態幾何距離；S3，獲取下一時刻t+dt時的溫度場，根據時刻t與時刻t+dt的溫差更新所述熱平衡距離，并根據更新后的所述熱平衡距離獲得對應的更新后的幾何平衡距離，以此方式直至溫度場變化結束，以獲取所述三維實體在整個溫度場變化過程中的熱變形。

優選地，更新后的所述熱平衡距離的計算公式為：