用于报告多部件有限元分析模型的实际动能的方法和系统

摘要

本申请公开了一种用于报告多部件有限元分析(FEA)模型的实际动能的方法和系统。表示产品的FEA模型被接收。所述产品包括一个以上的部件，每个部件包括多个有限元。其中定义了节点集中质量，以确保实际质量分布。针对共享的部件，被多个部件共享的节点集中质量的动能被精确计算。根据针对共享节点集中质量的有限元的各种共享情况的一组预定的规则，每个节点集中质量都作为增加的质量贡献被分配并累积到各个部分。通过使用FEA模型执行时间推进模拟获得数值模拟的结构响应。最后，使用获得的结构响应、单元质量、以及来自节点集中质量的对应的增加的质量贡献计算并报告每个有限元的动能。

说明书

技术领域

本发明总地涉及计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及用于报告多部件 有限元分析(FEA)模型的实际动能的方法和系统。

背景技术

计算机辅助工程(CAE)已经被用在许多任务中支持工程师。例如，在结 构或者产品设计程序中，CAE分析，特别是有限元分析(FEA)，已经经常被 用于获得各种负荷条件(例如，静态或者动态)下模拟的结构响应(例如，应 力、位移等)。

在过去几年中随着计算机技术的进步，FEA模型已经变得更加复杂。例 如，已经期望现代FEA模型的模拟结果不仅能准确表示整个车辆的质心，还 能准确表示车辆的每个部件的质心，例如带有地毯和连接有连接件的车辆地板 的质心。类似地，期望形成车辆的所有附加部件，通常是上百个，被准确建模， 包括它们的质心。现有技术的方法已经将地毯和连接件的质量作为节点质量建 模，并根据节点质量和车辆地板的单独的模拟结果来报告动能。后来，两种动 能被合并以获得带有地毯和连接件的地板的总动能。另一种现有技术的方法定 义了车辆地板上的地毯层的每单位面积的质量，然后增加部件的质量来得到地 毯层。后一种方法通常被避免，因为在定义节点质量时，不能准确控制部件的 质心。大的车辆模型可包括超过100,000个以上的节点集中质量。当用于增加 部件的质量的所有节点质量属于对部件来说唯一的节点时，这种现有技术的方 法才是可以接受的。在这种情况下，集中质量节点动能和部件节点动能的总和 将感兴趣的动能值提供给设计者；但是，如果特定的节点k具有由两个或多个 部件共享的集中质量，部件的动能计算将会太大，因为节点k的整个集中质量 和得到的动能被增加给部件动能。后者对于共享节点k的每个部件来说是真实 的。通常，在节点集中质量被附加到由多个部件共享的部件节点时，部件的动 能计算对于模型中的每个部件来说是不准确的。当部件的单元失效且被删除 时，或者整个部件被删除时，动能计算中的另一种可能的错误源出现。在后面 这种情况下，如果该单元具有节点，节点被赋予集中质量，归因于失效单元或 者被删除部件的集中质量的这部分的动能应该从该部件的动能中排除。

因此，期望有在接收集中质量的部件的节点的子集被一个或多个附加部件 共享时以及在失效的单元和被删除的部件具有做出贡献的集中质量时自动报 告部件的正确动能的计算效率高的方法和系统。

发明内容

本申请公开了一种用于报告多部件有限元分析(FEA)模型的实际动能的 方法和系统。根据本发明的一方面，在其上安装有FEA应用模块的计算机系 统中接收表示产品的FEA模型。所述产品包括一个以上的部件，每个部件包 括一个或多个有限元。其中定义了一个或多个节点集中质量，以确保实际质量 分布。根据针对共享节点集中质量的有限元的各种共享情况的一组预定的规 则，每个节点集中质量都作为增加的质量贡献被分配并累积到各个部分。通过 使用FEA模型执行时间推进模拟获得数值模拟的结构响应(例如，节点速度)。 最后，使用获得的结构响应、单元质量、以及对应的增加的质量贡献计算并报 告每个有限元的动能。由于每个有限元的增加的质量贡献是实际分配的，计算 得到的总动能将会对应于实际的物理值。

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是根据本发明的实施例的报告多部件有限元分析(FEA)模型的实际 动能的示范性过程的流程图；

图2是示范性有限元分析(FEA)模型的示意图；

图3是各种示范性有限元的示意图；

图4是根据本发明的实施例的其内定义有多个节点质量的有限元分析多 部件模型的示范性部分的示意图；

图5A-5C是根据本发明的实施例的各种示范性节点被一个以上的有限元 共享的示意图；以及

图6是示范性的计算机系统的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在 其中实施。

具体实施方式

参照图1，示出了根据本发明的一个实施例的报告多部件有限元分析 (FEA)模型的实际动能的示范性过程100的流程图。本发明优选地在软件中 实施，且参照其它附图进行理解，例如图2-6。

过程100开始于步骤102，在其上安装有FEA应用模块的计算机系统(例 如，图6中的计算机600)中接收表示产品的FEA模型。任何产品都可以由 FEA模型表示，例如，汽车。示范性的有限元分析(FEA)模型200在图2 中示出。该产品包括一个以上的部件(例如，汽车可包括门、引擎盖、挡泥板、 地毯、座椅等)。每个部件由一个或多个有限元表示(例如，梁单元、壳单元、 实体单元等)。且每个有限元与质量密度相关，以使用以下公式计算单元质量：

m_k＝(单元体积)·(单元密度)

例如，图3所示的梁单元302，单元质量m_k是质量密度与体积相乘(也 就是，横截面面积x长度)。类似地，薄壳单元304的单元质量m_k是质量密度 与体积相乘(也就是，厚度x面积)，厚壳单元305的单元质量m_k和实体单元 306的单元质量m_k是质量密度与实体单元的体积相乘。

此外，在FEA模型中包括一个或多个节点集中质量，以确保产品的某部 分的实际质量分布(例如，汽车的地板和连接件)。图4示出了示范性的多部 件FEA模型400的一部分，该模型包括多个节点集中质量410a-410f。在这个 例子中，有六个部件(用不同的样式示出，每个用带圆圈的数字表示)。为了 报告每个部件的正确的动能，每个节点集中质量必须被包括在对应的部件中。 对于位于部件边界的节点集中质量，正确百分比或部分的节点集中质量必须被 分配给共享节点的每个部件。

接下来，在步骤104，识别接收了增加的质量贡献的所有有限元。在一个 实施例中，通过检查定义特定有限元的每个节点ID来查看相同的节点ID是否 具有在FEA模型中定义的相关联的节点集中质量，来完成识别。计算机存储 器被分配给那些被识别的有限元，用于记录增加的质量贡献。这允许有精简的 存储器，因为只针对那些被识别的有限元存储增加的质量贡献。因此，为增加 的质量贡献而初始化存储器的计算时间减少了，因为只检查被识别的有限元。

在步骤106，每个节点集中质量被处理，以便分配各个部分以贡献于共享 与该节点集中质量相关联的节点的被识别的有限元。

根据一个实施例，一个特定的被识别的有限元可以从FEA模型中定义的 一个或多个节点集中质量接收增加的质量贡献。在遍历节点集中质量之前，将 所有被识别的有限元的增加的质量贡献的阵列初始化为零。在遍历定义的节点 集中质量时，计算每个被识别的有限元的总的增加的质量贡献。对于每个节点 集中质量Mc，质量被分布到共享与节点集中质量相关联的节点ID的有限元。 增加的质量贡献m_added与单元质量成比例。例如如果节点ID处的节点集中质 量被n个单元共享，n个有限元的列表中的第k个单元的增加的质量贡献采用 下式计算：

m_k＝(单元体积)·(单元密度)

$m_{\mathrm{added}}=\mathrm{Mc}\left(\frac{m_k}{m_1+m_2+m_3+...+m_{n-1}+m_n}\right)$

m_{第k个单元分配的质量}＝m_{第k个单元分配的质量}+m_added

这个方法包容了单元类型的多样性，例如梁、实体、壳、以及薄壳。采用 这个方法，不必知道集中质量是否贡献于一个或多个部件，因为边界节点和内 部节点的处理是相同的。

分布方案也可以图示为各种共享情况。例如，在图5A所示的第一种共享 情形下，节点集中质量510可以在两个不同的有限元511和512之间平均分割。 采用之前所述的公式作为例子，元511的m_added等于节点集中质量510乘以元 511的单元质量除以元511和512的总质量。在图5B所示的第二种情形下， 节点集中质量520可被分割为三个部分，这三个部分被分配给有限元521、522 和523。最后在图5C所示的第三共享情形下，节点集中质量530在有限元531、 532、533和544之间共享。

在步骤108，在所有的节点集中质量已经被适当地分配后，通过使用FEA 模型执行时间推进模拟，获得产品的数值模拟的结构响应。数值模拟的结构响 应包括时间推进模拟的每个求解周期的节点速度和单元状态(例如，失效)。

最后，在步骤110，使用数值模拟的结构响应、以及对应的单元质量和增 加的质量贡献，计算每个部件的总动能。接下来得到的每个部件的总动能被报 告给用户(例如，科学家、工程师等)。由于每个有限元的增加的质量贡献是 被实际分配的，所计算的总动能将会对应于实际的物理值。

根据实施例，通过使用以下公式将表示特定部件的所有有限元(例如，在 这个例子中单元的数量是p)的动能求和，计算该特定部件的动能K.E.：

$K_{.}{E}_{.}=\frac{1}{2}{\Sigma }_1^p{f}^e{M}_e{V}_e^2$

M_e＝m_单元质量+m_{分配的集中质量}

$V_e=\frac{1}{n}\Sigma v_{\mathrm{node}}$

其中n是有限元e中的节点的数量，v_node是节点速度。采用这种方法，动能计 算时会自动删除失效节点。

根据一方面，本发明涉及一种或多种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除存储单 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)、可移除存储芯片(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、以及其它可移除存储单元622和允许软件和数据从可移除存储单元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。

在这份文件中，用语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指 代媒介，例如可移除存储驱动器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， 并可使用可移除存储驱动器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可被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。时间推进模拟的状态(例如模拟结果等)以文字或者图形表示的 方式通过I/O接口630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，虽然图示和描述的预定规则是基于单 元质量，但是也可以使用其它的手段代替，例如使用共享节点集中质量的有限 元的数量。此外，很少的示范性贡献加权因子被图示和描述。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所附的权利要求的范围内。