有限元分析中的热流体-结构交互模拟

摘要

本发明涉及使用总体流流体单元(BFFE)模拟热流体-结构交互。每个BFFE都包括以下特征：1)实体单元的至少一个包围层，表示周围结构或者管道壁；2)壳单元或者体节点段层，表示流体的外边界；3)位于BFFE中心的体节点，用于定义流体特性(例如，密度、比热)和体积(也就是，体节点与环绕体节点的所有体节点段之间的封闭空间被计算为流体体积)；4)流体流梁单元或者体节点单元，用于定义到另一个BFFE的流体流动路径；以及5)实体单元与壳单元之间的接触界面，用于进行热流体-结构交互。

说明书

技术领域

本发明涉及结构(例如，金属冲压工具)的计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及在用于设计结构的有限元分析中执行总体流流体(bulk flow fluid)随时间推进的热流体-结构交互(fluid-structure interaction)模拟。

背景技术

有限元分析(FEA)是一种计算机辅助方法，被广泛用于工业以进行建模和解决与复杂系统相关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名字来自以下事实：被考察的物体的几何形状是特定的。随着现代数字计算机的出现，FEA已经作为FEA软件被实施。基本上，FEA软件设有几何形状描述的模型、以及在模型内的每个点处的相关材料特性。在这个模型中，被分析系统的几何形状由不同尺寸的实体(solid)、壳(shell)和梁(beam)来表示，这些实体、壳和梁被称为单元。各单元的顶点被称为节点(node)。该模型由有限数量的单元构成，这些单元被赋予与材料特性相关的材料名。因此该模型代表了被分析物体及其即刻环境(immediate surrounding)所占据的物理空间。然后，FEA软件涉及一个表格，每种材料类型的特性被列在该表格中(例如，应力-应变构成等式、杨氏模量、泊松比、导热性)。另外，物体的边界条件(也就是，负荷、物理约束、热流量等)被指定。通过这种方式，便创建出物体及其环境的模型。

FEA已经被汽车制造商越来越多地用于设计和优化汽车制造的各方面，例如空气动力学性能、结构完整性、部件制造等。类似地，飞机制造商依靠FEA在第一个原型被研发出来很久之前就预知飞机的性能。一个受欢迎的FEA任务就是模拟金属成型(例如，钣金冲压或者金属部件成型)。

金属成型指的是薄钣金部件或者工件(例如挡板(fender)、导槽(channel)、毂盖、加强筋等)的制造过程。它包括利用液压机100将金属板延展、拉伸、和弯曲成期望的形状，该液压机100包括至少一个上模(upper tool)或者冲头(punch)112以及一个下模(lower tool)或者凹模(die)114，如图1所示。当冲头112按照箭头110所示的方向向下冲压到凹模114上时，得到冲压出的金属部件113。金属成型还可以指金属紧固件的制造过程，例如螺栓、螺钉或铆钉。许多金属成型工艺要求在施加压力将金属的形状变成期望的形状之前，加热将金属(例如，板、杆、管、线等)软化。

在热金属成型过程中，当冲头112每次冲压到凹模114上时，热量从被加热的金属件113传导到凹模114。在生产某些金属部件时，凹模114在一次或多次冲压后需要被冷却到特定温度范围。使用冷却系统而不是自然冷却可提高冷却效率，从而提高金属成型冲床的产量。通常，通过使冷却液流经一个或多个冷却液通道115，可以实现更快的冷却，该冷却液通道115通常嵌在凹模114内。冷却液通道115的某些设置或者布置可提高冷却效率，从而进一步提高产量。但是，凹模114的制造费用很高。使用物理反复试验的方法通过实验来确定冷却通道的最佳设置是非常昂贵的。

因此，期望有一种计算机执行的方法，在用于设计结构的有限元分析中对总体流流体的热流体-结构交互进行模拟，例如对金属成型冲床内冷却液和凹模之间的热交互作用进行模拟。

发明内容

本发明公开了一种在用于设计结构的有限元分析中对总体流流体的热流体-结构交互(例如热金属成型工艺中凹模的冷却)进行模拟的系统、方法和软件产品。根据本发明的一方面，用于冷却的总体流流体位于一个或多个流体流动路径中。在一个实施例中，该路径是金属成型凹模中嵌入的通道。在另一个实施例中，该路径被封闭在包含冷却液的管道中。每个流体流动路径都具有入口和出口，且每个都在入口和出口之间的三维空间内具有任意形状和方向。流体路径的横截面包括简单的封闭式二维几何形状，例如圆形、椭圆、或者多边形(例如，三角形、四边形、五边形等)。沿着每个流体流动路径形成一系列连续的、集中均匀体积的流体或塞流(flow slug)，每个塞流表示包含在其中的总体流流体的一部分。每个塞流都可以用以下描述的总体流流体单元(bulk flow fluid elements，简称BFFE)来建模或者表示。

根据另一方面，每个BFFE都包括以下特征：1)实体单元的至少一个包围层，表示周围结构或者管道壁；2)壳单元或者体节点段(Bulk Node Segments)层，表示流体的外边界；3)位于BFFE中心的体节点(Bulk Node)，用于定义流体特性(例如，密度、比热)和体积(也就是，体节点与环绕体节点的所有体节点段之间的封闭空间被计算为流体体积)；4)流体流梁单元或者体节点单元(Bulk Node Element)，用于定义到另一个BFFE的流体流动路径；以及5)实体单元与壳单元之间的接触界面，用于进行热流体结构交互。

根据另一方面，可以由已知方法定义体节点，例如，在三维空间的笛卡尔坐标系中的坐标(x，y，z)，其中x、y和z是实数，坐标(x，y，z)唯一定义了空间中的一个点。每个体节点段是四边形或者三角形表面区域，表示管道壁或者流体通道表面，其包围着体节点。在一个BFFE中，体节点和每个体节点段之间的热交换或热交互是通过对流和辐射实现的。体节点单元通过将各体节点相连，使一个BFFE与另一个BFFE相关联。这使得能够计算在流动方向上的各体节点之间的传导和平流热交互或者热交换。

根据另一方面，在可以开始模拟包括一个或多个BFFE的结构的热交互之前，定义出初始边界条件(例如，某些位置的温度)。可以使用有限元分析软件模块、采用时间推进或者时域解法来进行模拟。在时间推进的解法中，从初始时间(例如，t＝0)开始执行多个求解周期。在每下一个求解周期，模拟时间以时间增量(Δt)递增。在每个求解周期，计算出每个BFFE处或者两个相连的BFFE之间的热交互或者热交换。相连的BFFE通过流体流梁单元(也就是，体节点单元)来相关联。

通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1是金属成型冲床和平板金属件的透视图；

图2A是根据本发明一个实施例可被使用的第一示范性流体流动路径的示意图；

图2B是根据本发明另一个实施例可被使用的多个第二示范性流体流动路径的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的示范性总体流流体单元的透视图；

图4A是根据本发明实施例表示管道内或者沿着流动路径的流体的多个示范性塞流的示意图；

图4B是图4A的示范性总体流流体路径在轴向上的截面图；

图5A和5B共同示出了根据本发明实施例在结构的有限元分析中利用总体流流体单元模拟热流体-结构交互的示范性过程的流程图；以及

图6是计算机设备的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在该计算机设备中实施。

具体实施方式

为了便于描述本发明，必须要提供一些术语的定义，这些术语将会在本申请中通篇使用。应注意的是，以下的定义是为了便于理解和描述根据实施例的本发明。这些定义可能看起来包括与该实施例相关的限制条件，但是本技术领域的人员理解，这些术语的实际含义在应用上已经超出了该实施例：

FEA表示有限元分析。

隐式FEA或者解法指的是Ku＝F，其中K是有效劲度矩阵，u是未知的位移阵列，且F是有效负荷阵列。F是右手侧负荷阵列，而K是左手侧劲度矩阵。该解法在整体级别上执行，并对有效劲度矩阵进行因素分解，该有效劲度矩阵是硬度、质量和阻尼的函数。一个示范性解法是Newmark时间积分法。以上的热模拟中，K是有效导热矩阵，u是未知的温度阵列，F是有效热负荷阵列。一个示范性解法是Crank-Nicolson时间积分法。

显式FEA指的是Ma＝F，其中M是对角线质量阵列，a是未知节点加速度阵列，F是有效负荷阵列。该解法可以在单元级别上执行，而不对矩阵进行因数分解。一个典型的解法被称为中央差分法。

时间推进模拟或者时域分析指的是时域上的工程分析模拟，例如，使用时域中的有限元分析来模拟冷却液与金属成型冲压凹模之间的热流体-结构交互。

梁单元指的是由两个端部节点定义的一维有限元。当该梁位于应变力作用下时，该梁承载轴向应力和在横截面上可变化的三种剪切应力。梁的轴向应变被定义为梁沿轴向的拉伸的量。例如，当梁从原始长度L被轴向张力拉伸到拉长长度(L+δ)时，轴向应变ε被定义为每单位长度的总延长量δ(也就是，ε＝δ/L)。以上所述的热模拟是指梁承载轴向温度梯度和材料量流动速率。

壳单元指的是由区域定义的二维单元，例如三角形单元、四边形单元等。

实体单元指的是三维体积有限元，例如，4节点四面体单元、8节点六面体单元等。

在此参照图2A-6讨论本发明的实施例。但是，本技术领域的人员将会理解，此处参照这些附图给出的详细描述是用于解释的目的，本发明可延伸到这些限制实施例之外。

首先参照图2，示出了第一示范性流动路径220。流动路径220包括入口222和出口224，流体分别通过它们进入和流出流动路径220。在一个例子中，流动路径220可代表嵌入在待冷却结构(例如，图1的凹模114)中的冷却液通道。在另一个实施例中，流动路径220可代表热交换器(例如，散热器、致冷器)中的冷却旋管。图2B示出了第二示范性流动路径240a-n。每个流动路径240a-n包括对应的入口242a-n和出口244a-n。另一个实施例是，入口岐管头连接到所有的流体入口242a-n，出口岐管头连接到所有的流体出口244a-n。第二流动路径240a-n可被配置为用于冷却相对较大的结构。为了简洁起见，第一流动路径220和多个第二流动路径240是位于二维平面内的物体。实际上，任何流动路径都可以是在三维空间内迂回曲折的通道。目的是将流体通道放置在最适合高效且有效地提供热交换的方位。根据本发明的一方面，根据多个相邻线段的定义，生成任意形状的三维流体路径。在一个实施例中，可以由用户使用有限元分析软件模块的预处理器的图形用户界面，来交互式地定义线段。

为了模拟流体沿着流动路径的热交互，根据本发明的实施例，生成了专用的有限元总体流流体单元(BFFE)300。每个BFFE 300包括以下特征：1)实体单元的至少一个包围层302，代表周围结构或者管道壁；2)壳单元或者体节点段层304，代表流体的外边界；3)位于BFFE中心的中心节点或者体节点306，用于定义流体特性(例如，密度、比热)和体积(也就是，体节点与环绕体节点的所有体节点段之间的封闭空间被计算为流体体积)；4)流体流梁单元或者体节点单元308，用于定义到另一个BFFE的流体流动路径；以及5)实体单元和壳单元之间的接触界面310，用于传导流体-结构热交互。

采用与每个体节点306相关的体积和流体特性，BFFE 300被配置成表示均匀温度下均一体积或质量的流体(例如，以下的图4A定义的塞流)。可以由已知方法定义体节点，例如，在三维空间的笛卡尔坐标系中的坐标(x，y，z)，其中x、y和z是实数，坐标(x，y，z)唯一定义了空间中的一个点。每个体节点段304是四边形或者三角形表面区域，表示管道壁或者流体通道表面，它们围绕体节点306。在BFFE 300中，体节点306和每个体节点段304之间的热交换或热交互是通过对流和辐射实现的。体节点单元308通过将各体节点306相连来使一个BFFE 300与另一个BFFE相关联。这使得能够计算在流动方向上的各体节点306之间的传导和平流热交互或者热交换。

沿着流动路径的流体的例子在图4A中示出，图4A是根据本发明的实施例示出管道402内表示总体流流体的一系列塞流412a-n的示意图。管道402表示流体流动路径(例如，第一路径220、第二路径240a-n)。多个塞流412a-n中的每一个都可以采用相应的BFFE 300来建模。每个塞流412的长度由用户或者自动机制(例如，装在计算机上的软件模块)来配置。本技术领域的人员将会知道怎样最好地沿着流动路径划分流体，以实现模拟热流体-结构交互以设计结构的目的。例如，由于较高的热交换速率，流体路径的某些部分可能需要更多的BFFE。

虽然在图4A中塞流412a-n可能看起来具有相同的尺寸，但是塞流412a-n可以有彼此不同的尺寸。图4B中示出了管道402的轴向视图。管道402的圆形横截面仅仅是一个例子。任何其它的封闭形状(例如，椭圆、三角形、四边形、或者不规则的多边形)也可以用于本发明。

每个塞流412a-n(由体节点段304表示)与管道壁或者周围结构(由实体单元302表示)之间的热交互通过BFFE 300的接触界面310进行传导。由流体梁单元308相关联的两个塞流之间的热交换通过传导和平流进行。为了模拟这些组件之间的连续热交换，使用有限元分析模块来进行时间推进的或者时域分析。时间推进的分析包括多个求解周期。在每个求解周期，计算每个BFFE以及两个相关的BFFE之间的热交换。因此，计算出热交换的时间关系曲线图并进行评估，以设计出热交换系统(例如，金属成型冲床的凹模的一组冷却通道)。

参照图5A和图5B，共同示出了根据本发明的实施例在结构的有限元分析中利用总体流流体单元模拟热流体-结构交互的示范性方法500的流程图。方法500可以在软件中实施，最好结合之前的附图进行理解。

方法500从在步骤502接收总体流流体和路径定义开始，例如，冷却通道在金属成型冲床的凹模中的布置，或者管道在散热器中的方位。总体流体和路径定义可包括一个或多个总体流流体路径。每个路径用于特定种类的流体。

通过已知的方法直接或者间接地将所接收的信息馈入有限元分析软件模块(装载在计算机的存储器中，如以下参照图6所述)。示范性的已知方法是利用带有图形用户界面的预处理软件模块。另一个已知的方法是根据有限元分析(FEA)软件模块的预定输入格式，手动输入所接收的定义。

接下来在步骤504，沿着每个接收的流动路径定义多个塞流。每个塞流表示沿着该流动路径的一部分流体。在每个塞流的中心，也定义出节点(也就是，体节点306)。接下来在步骤506定义出流体流梁单元(也就是，体节点单元308)。流体流梁单元被配置用于将两个相连的塞流相关联，以及用于指示流体流动方向。每个塞流包括的体积可以由长度和横截面面积来确定。在步骤508，将每个塞流的流体体积、密度、比热和导热系数赋值给对应的体节点。流体特性可以与流体和流动路径定义一起被接收，也可以在单独的操作中被接收。

在步骤510中，为每个塞流生成至少一个实体单元层302，用作包围结构或者管道。示范性的实体单元可包括六面体(8节点实体)、四面体(4节点实体)或者其它类型的三维单元。根据每个塞流的长度，实体单元层可在塞流的轴向上包括一个以上的单元(例如，图3示出的两个单元)。在步骤512，生成壳单元层(也就是，体节点段304)，作为每个塞流的外边界。与实体单元类似，壳单元可包括三角形单元、四边形单元或者其它类型的二维面单元。接下来，在步骤514，创建出每个壳单元304与相应实体单元302的对应内表面之间的接触界面310。接触界面310被配置为在流体(由壳单元表示)和结构(由实体单元表示)之间传导热交换或者热交互。

在步骤514之后，每个塞流可以被称为图3中的总体流流体单元(BFFE)300。接下来，在步骤520，定义出初始边界条件(例如，结构的温度、入口或出口处的流体的温度、通过流体路径的流体速度等)，使得热流体-结构交互模拟可以在时域中执行，例如，多个求解周期的时间推进模拟。

接下来在步骤522的当前求解周期中执行热流体-结构交互模拟。该热交互包括对于每个BFFE来说通过辐射和对流在结构和流体之间进行的、以及两个相关联的BFFE之间在流动方向上通过传导和平流进行的热交换。在当前求解周期中完成求解后，在步骤524中，以时间增量(Δt)递增模拟时间。换句话说，当前求解周期在时间上被增加。接下来，在判断步骤526中，通过已知的方法确定模拟是否已经完成。例如将当前求解周期的模拟时间与预定的总模拟时间比较，如果当前求解周期时间已经达到总模拟时间，那么模拟已经达到终点。

如果在判断步骤中为“否”，方法500回到步骤522，重复另一热流体-结构交互模拟，直至判断步骤526变成“是”，方法500结束。

方法500用于为一种结构的配置执行时间推进的热流体-结构交互模拟。例如，模拟和分析金属成型冲床的凹模的特定的一组冷却通道。其后可以对冷却流体通道的设置或者布置(也就是，流体和流动路径定义)做出任意新的改进或调整。接着可以对经过调整的配置进行另一次模拟，直至期望的配置已经达到预定的标准(例如，可以在某时间量内实现冷却)。

根据一方面，本发明涉及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统600的例子在图6中示出。计算机系统600包括一个或多个处理器，例如处理器604。处理器604连接到计算机系统内部通信总线602。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如何使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。

计算机系统600还包括主存储器608，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器610。辅助存储器610包括例如一个或多个硬盘驱动器612和/或一个或多个可移除存储驱动器614，它们代表软磁盘机、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器614用已知的方式从可移除存储单元618中读取和/或向可移除存储单元618中写入。可移除存储单元618代表可以由可移除存储驱动器614读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元618包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在可选实施例中，辅助存储器610可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统600。这样的机制包括例如可移动存储单元622和接口620。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元622和允许软件和数据从可移动存储单元622传递到计算机系统600的接口620。通常，计算机系统600由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。

可能还设有连接到总线602的通信接口624。通信接口624允许软件和数据在计算机系统600和外部设备之间传递。通信接口624的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。

计算机600基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口624将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口624处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机600的数据包。在本申请中，术语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器614和/或设置在硬盘驱动器612中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机系统600的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统600还包括输入/输出(I/O)接口630，它使得计算机系统600能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、以及类似设备。

计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块606存储在主存储器608和/或辅助存储器610中。也可通过通信接口624接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统600执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器604执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统600的控制器。

在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器614、硬盘驱动器612、或者通信接口624加载到计算机系统600中。应用模块606被处理器604执行时，使得处理器604执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器608可加载有一个或多个应用模块606，所述应用模块606可被一个或多个处理器604执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口630输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器604执行一个应用模块606时，结果被计算并存储在辅助存储器610(也就是，硬盘驱动器612)中。有限元分析(例如，汽车抗撞击)的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口报告给用户。

虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然已经示出了圆形横截面的BFFE，但是也可使用其它类型的封闭二维几何形状(例如，三角形、正方形或者四边形)。此外，虽然图3仅示出了一个实体单元层，但是也可以定义一个以上的实体单元层来表示周围的结构。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及后附权利要求的范围内。