本發(fā)明總的涉及計算機輔助工程分析，更具體地涉及用于執(zhí)行預(yù)期會經(jīng)歷金屬縮頸失效的結(jié)構(gòu)的時間推進數(shù)值模擬的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

計算機輔助工程分析(CAE)已經(jīng)被用于在許多任務(wù)中支持工程師。例如，在結(jié)構(gòu)或者工程產(chǎn)品設(shè)計程序中，CAE分析，尤其是有限元分析(FEA)，已經(jīng)經(jīng)常被用于預(yù)知在各種模擬的負荷條件下(例如，靜態(tài)或動態(tài))的結(jié)構(gòu)特性(例如，應(yīng)力、位移等)。

為了在有限元分析中數(shù)值模擬金屬縮頸失效，F(xiàn)EA的用戶規(guī)定了失效標準?，F(xiàn)有技術(shù)的方法已經(jīng)從使用金屬縮頸失效中頸部周圍的平均應(yīng)變(例如，基于平均應(yīng)變獲得的數(shù)據(jù)，平均應(yīng)變采用應(yīng)變儀測量)進行物理金屬樣本測試發(fā)展而來。結(jié)果，用戶需要規(guī)定依賴于有限元網(wǎng)格(單元尺寸)的一組金屬縮頸失效標準。這些現(xiàn)有技術(shù)的方法經(jīng)常導(dǎo)致預(yù)備輸入數(shù)據(jù)的混亂和困難，且導(dǎo)致不正確的模擬，因為用戶需要基于這些不真實的和特別的要求來準備失效標準。

因此期望有用于在預(yù)期會經(jīng)歷金屬縮頸失效的結(jié)構(gòu)的時間推進數(shù)值模擬中規(guī)定與網(wǎng)格大小獨立的金屬縮頸失效標準的方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種用于執(zhí)行預(yù)期會經(jīng)歷金屬縮頸失效的結(jié)構(gòu)的時間推進模擬的方法和系統(tǒng)。按照一個方面，在計算機系統(tǒng)中，定義和接收表示至少部分由金屬制成的結(jié)構(gòu)的FEA模型、一組金屬縮頸失效標準、以及頸部的特征。所述FEA模型包含表示所述結(jié)構(gòu)的金屬部分的至少多個有限元，所述金 屬縮頸失效標準包括用于各種負荷條件或者在各種以負荷路徑圖形式定義的應(yīng)變方向上的各臨界應(yīng)變和斷裂應(yīng)變值。特征包括所述頸部的寬度和所述頸部寬度內(nèi)的應(yīng)變值的輪廓。

使用所述FEA模型來執(zhí)行時間推進數(shù)字數(shù)值模擬，獲得結(jié)構(gòu)特性。在時間推進模擬的每個求解周期中，在每個有限元的每個積分點執(zhí)行以下操作：(a)從計算的應(yīng)變值識別主要和次要的應(yīng)變值以及方向；(b)采用基于所述一組金屬失效標準中的對應(yīng)的臨界和斷裂應(yīng)變值、所述頸部的特征、以及所述每個有限元相對于主要應(yīng)變方向的特征尺寸的公式，計算所述主要應(yīng)變方向上的等價的金屬縮頸失效應(yīng)變值；以及(c)當所述主要應(yīng)變值大于所述等價的金屬縮頸失效應(yīng)變值時，確定發(fā)生金屬縮頸失效。

在結(jié)合附圖仔細閱讀以下實施例的詳細描述下，本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點是明顯的。

附圖說明

參照以下的描述、所附的權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點將會被更好地理解。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的執(zhí)行預(yù)期會經(jīng)歷金屬縮頸失效的結(jié)構(gòu)的時間推進數(shù)值模擬的示例性過程的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性金屬的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性的一組用戶規(guī)定的金屬縮頸失效標準的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的可以在FEA模型中使用的各種示例性的有限元的示意圖；

圖5A-5C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的識別主要和次要應(yīng)變值、以及在有限元的積分點處的對應(yīng)方向的示意圖；

圖6A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的臨界應(yīng)變和斷裂應(yīng)變值之間的應(yīng)變值的示例性輪廓圖的一系列示意圖；

圖6B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的臨界應(yīng)變和斷裂應(yīng)變值之間的應(yīng)變值的替 代性示例性輪廓圖的一系列示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的獲得各臨界和斷裂應(yīng)變值的示例性方案的示意圖。

圖8為表示示例性計算機的主要部件的功能圖，本發(fā)明的實施例可以在其中實現(xiàn)。

具體實施方式

首先參照圖1，它是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的執(zhí)行預(yù)期會經(jīng)歷金屬縮頸失效的結(jié)構(gòu)的時間推進數(shù)值模擬的示例性過程100的流程圖。過程100優(yōu)選地在軟件中實施，且參照其他附圖理解。

過程100在動作102開始，在其上安裝有FEA應(yīng)用模塊的計算機系統(tǒng)(例如，圖8的計算機系統(tǒng)800)中接收表示至少部分由金屬制成的結(jié)構(gòu)的FEA模型、一組用戶規(guī)定的金屬縮頸失效標準、以及頸部的特征。FEA模型包含用于表示結(jié)構(gòu)的金屬部分的至少多個有限元。該組用戶規(guī)定的金屬縮頸失效標準包括在各種負荷條件或者應(yīng)變方向(例如，圖3的負荷路徑圖)上的各臨界和斷裂應(yīng)變值。頸部的特征包括頸部的寬度和頸部內(nèi)的應(yīng)變值的輪廓。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性應(yīng)力-應(yīng)變曲線200的示意圖，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以被用于確定包括縮頸的屈服后結(jié)構(gòu)特性。曲線200具有表示應(yīng)力204的垂直軸線和表示應(yīng)變202的水平軸線。材料具有兩個區(qū)域：彈性212和塑性214。塑性區(qū)域214被進一步劃分為三個種類：屈服215、應(yīng)變硬化216和縮頸217。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線200的彈性區(qū)域的頂端是屈服點220，屈服應(yīng)力對應(yīng)于屈服點220。臨界應(yīng)變232對應(yīng)于極限強度點222，且斷裂應(yīng)變234對應(yīng)于斷裂位置224。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性的一組用戶規(guī)定的金屬縮頸失效標準，金屬縮頸失效標準是負荷路徑示意圖300的形式。負荷路徑示意圖300具有兩個軸線：垂直軸線表示主要應(yīng)變(ε₁)方向上的應(yīng)變值，水平軸線表示次要應(yīng)變(ε₂)方向上的應(yīng)變值。用戶規(guī)定的金屬標準是在各種負荷條件或者應(yīng)變方向上的各臨界應(yīng)變值332和斷裂應(yīng)變值334。例如，雙向拉伸負荷 被圖示為由(ε₂＝ε₁)標記的虛線。單向拉伸負荷被示為由(ε₂＝-ε₁/2)標記的虛線。

回到過程100，在動作104，通過采用FEA應(yīng)用模塊、使用FEA模型來執(zhí)行結(jié)構(gòu)的時間推進數(shù)值模擬，獲得結(jié)構(gòu)特性。時間推進模擬包含多個求解周期或者時間步驟。在每個求解周期，F(xiàn)EA模型的每個有限元的每個積分點被確定是否經(jīng)歷了金屬縮頸失效。確定通過以下操作來實現(xiàn)：在動作104a，從計算的應(yīng)變值識別主要和次要的應(yīng)變值以及對應(yīng)的方向，在動作104b，從基于用戶規(guī)定的金屬失效標準中的對應(yīng)的臨界和斷裂應(yīng)變值、頸部的特征、以及有限元的對應(yīng)特征尺寸的公式，計算主要應(yīng)變方向上的等價的金屬失效應(yīng)變值，以及在動作104c，當主要應(yīng)變值大于所計算的等價的金屬失效應(yīng)變值時，確定發(fā)生金屬縮頸失效。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可以在FEA模型中使用的各種有限元的示意圖。第一有限元410包含一個積分點415，具有特征尺寸l_c 412。第二有限元420具有四個積分點425，具有特征尺寸l_c 422。第三有限元430包含一個積分點435，具有兩個特征尺寸l_c1 432和l_c2 434。積分點是FEA的有限元內(nèi)的位置，以執(zhí)行數(shù)值積分，以便計算結(jié)構(gòu)特性(例如應(yīng)變)。在二維有限元內(nèi)，在坐標系統(tǒng)的兩個方向上計算應(yīng)變。為了本發(fā)明的目的，兩個計算的應(yīng)變值中較大的正應(yīng)變(即，被拉伸伸展)被稱為主要應(yīng)變。另一個被稱為次要應(yīng)變，次要應(yīng)變可以是正的(被拉伸)或者負的(被壓縮)。

圖5A-5C示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的識別主要和次要應(yīng)變值、以及在有限元的積分點處的對應(yīng)方向的三個例子。為了闡述的目的，所有的應(yīng)變或者拉伸都被夸大，以便更容易觀看。

在圖5A所示的第一個例子中，有限元500在兩個方向上伸展，具有主要應(yīng)變(ε₁)502和次要應(yīng)變(ε₂)504。兩個應(yīng)變都是正的(即，被拉伸)且ε₁>ε₂。在積分點501，總的應(yīng)變值510是主要應(yīng)變值502和次要應(yīng)變值504的合成。主要和次要應(yīng)變值之間的應(yīng)變角度(β)520定義了總的應(yīng)變方向，總的應(yīng)變方向與用戶定義的金屬片失效標準(圖3的圖示300)內(nèi)的一個負荷方向相聯(lián)系。

在圖5B所示的第二個例子中，殼體有限元520在一個方向上伸展，僅具 有主要應(yīng)變(ε₁)522。次要應(yīng)變在這個例子中為零(未畫出)。結(jié)果，積分點521處的總應(yīng)變值530等于主要應(yīng)變值522。應(yīng)變角度是零(未圖示)。

圖5C示出了第三個例子，其中有限元540的主要應(yīng)變值(ε₁)542是正的(即，被拉伸)而次要應(yīng)變值(ε₂)544是負的(被壓縮)?？倯?yīng)變值550和應(yīng)變角度(β)560定義的總應(yīng)變方向被作為結(jié)果示出。

應(yīng)變角度對應(yīng)于負荷路徑圖300的負荷路徑。例如，在圖3中示出，當在雙向拉伸負荷路徑ε1＝ε2上時，應(yīng)變角度等于45度，而在單向拉伸負荷路徑上應(yīng)變角度是-22.5度。

圖6A示出了在它的主要應(yīng)變方向(即，圖6A的水平方向)上被拉伸的示例性有限元。金屬從原始未變形的尺寸l₀ 602開始。在這個例子中，l₀ 602是有限元相對于主要應(yīng)變方向的特征尺寸l_c。金屬被伸展附加的長度Δl，剛好在縮頸階段之前的極限強度點至變形長度l₁ 606(即，l₁＝l₀+Δl)。圖6A還示出了頸部寬度w 604，頸部寬度w 604可以從物理材料測試獲得/測量得到。在這個點上，金屬經(jīng)歷臨界應(yīng)變ε_c。金屬在斷裂發(fā)生前被進一步伸展至最終的長度l₁+dw 608，且頸部寬度增加至最終的寬度w+dw 616。

進一步在圖6A中示出的是臨界應(yīng)變值ε_c 614和斷裂應(yīng)變值ε_f 612之間的應(yīng)變值的示例性輪廓，臨界應(yīng)變值ε_c 614對應(yīng)于金屬的極限長度，斷裂應(yīng)變值ε_f 612對應(yīng)于剛好在斷裂前被伸展的金屬。輪廓在斷裂處在最終寬度為w+dw 616的頸部具有三角形形狀610。三角形610的面積是(w+dw)*(ε_f-ε_c)/2。接下來等價的金屬失效應(yīng)變值ε_e計算如下：

l₁＝l₀+Δl

${\mathrm{\ϵ}}_c=ln\frac{l_1}{l_0}$

$l_1=l_0{e}^{{\mathrm{\ϵ}}_c}$

$ln\frac{dw}{w}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_f-{\mathrm{\ϵ}}_c}{2}$

$dw={\mathrm{we}}^{({\mathrm{\ϵ}}_f-{\mathrm{\ϵ}}_c)/2}$

${\mathrm{\ϵ}}_e=ln\frac{l_1+dw}{l_0}$

示例性的方案在圖7中示出，用于獲得主要應(yīng)變方向上的各個臨界和斷裂應(yīng)變值。首先，從所識別的主要和次要應(yīng)變值和方向，計算應(yīng)變角度β710。然后通過映射位于應(yīng)變角度710定義的負荷路徑上的對應(yīng)臨界和斷裂應(yīng)變值702-704，確定主要方向上的臨界應(yīng)變值ε_c 712和斷裂應(yīng)變值ε_f 714。

在替代性實施例中，曲線輪廓660在圖6B中示出。為了建立等價的金屬失效應(yīng)變值，需要計算曲線輪廓下方的面積。

根據(jù)一方面，本發(fā)明涉及一種或多種能夠執(zhí)行在此描述的功能的計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)800的例子在圖8中示出。計算機系統(tǒng)800包括一個或多個處理器，例如處理器804。處理器804連接到計算機系統(tǒng)內(nèi)部通信總線802。關(guān)于該示范性的計算機系統(tǒng)，有各種軟件實現(xiàn)的描述。在讀完這一描述后，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員將會明白如何使用其它計算機系統(tǒng)和/或計算機架構(gòu)來實施本發(fā)明。

計算機系統(tǒng)800還包括主存儲器808，優(yōu)選隨機存取存儲器(RAM)，還可包括輔助存儲器810。輔助存儲器810包括例如一個或多個硬盤驅(qū)動器812和/或一個或多個可移除存儲驅(qū)動器814，它們代表軟磁盤機、磁帶驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等?？梢瞥拇鎯︱?qū)動器814用已知的方式從可移除存儲單元818中讀取和/或向可移除存儲單元818中寫入?？梢瞥鎯卧?18代表可以由可移除存儲驅(qū)動器814讀取和寫入的軟盤、磁帶、光盤等?？梢岳斫猓梢瞥鎯卧?18包括其上存儲有計算機軟件和/或數(shù)據(jù)的計算機可讀媒介。

在替代性實施例中，輔助存儲器810可包括其它類似的機制，允許計算機程序或者其它指令被裝載到計算機系統(tǒng)800。這樣的機制包括例如可移除存儲單元822和接口820。這樣的例子可包括程序盒式存儲器和盒式存儲器接口(例如，視頻游戲設(shè)備中的那些)、可移除存儲芯片(例如可擦除的可編程只讀存儲器(EPROM))、通用串行總線(USB)閃存、或者PROM)以及相關(guān)的插槽、以及其它可移除存儲單元822和允許軟件和數(shù)據(jù)從可移除存儲單元822傳遞到計算機系統(tǒng)800的接口820。通常，計算機系統(tǒng)800由操作系統(tǒng) (OS)軟件控制和管理，操作系統(tǒng)執(zhí)行例如進程調(diào)度、存儲器管理、網(wǎng)絡(luò)連接和I/O服務(wù)。

可能還設(shè)有連接到總線802的通信接口824。通信接口824允許軟件和數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)800和外部設(shè)備之間傳遞。通信接口824的例子包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口(例如以太網(wǎng)卡)、通信端口、個人計算機存儲卡國際協(xié)會(PCMCIA)插槽和卡等等。計算機800基于一組特定的規(guī)則(也就是，協(xié)議)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與其它計算設(shè)備通信。通用協(xié)議的其中一種是在互聯(lián)網(wǎng)中通用的TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。通常，通信接口824將數(shù)據(jù)文件組合處理成較小的數(shù)據(jù)包以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，或?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)包重新組合成原始的數(shù)據(jù)文件。此外，通信接口824處理每個數(shù)據(jù)包的地址部分以使其到達正確的目的地，或者中途截取發(fā)往計算機800的數(shù)據(jù)包。在這份文件中，用語“計算機程序媒介”和“計算機可用媒介”都用來指代媒介，例如可移除存儲驅(qū)動器814和/或設(shè)置在硬盤驅(qū)動器812中的硬盤。這些計算機程序產(chǎn)品是用于將軟件提供給計算機系統(tǒng)800的手段。本發(fā)明涉及這樣的計算機程序產(chǎn)品。

計算機系統(tǒng)800還包括輸入/輸出(I/O)接口830，它使得計算機系統(tǒng)800能夠接入顯示器、鍵盤、鼠標、打印機、掃描器、繪圖機、以及類似設(shè)備。

計算機程序(也被稱為計算機控制邏輯)作為應(yīng)用模塊806存儲在主存儲器808和/或輔助存儲器810中。也可通過通信接口824接收計算機程序。這樣的計算機程序被執(zhí)行時，使得計算機系統(tǒng)800執(zhí)行如在此所討論的本發(fā)明的特征。特別地，當執(zhí)行該計算機程序時，使得處理器804執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這樣的計算機程序代表計算機系統(tǒng)800的控制器。

在本發(fā)明采用軟件實現(xiàn)的實施例中，該軟件可存儲在計算機程序產(chǎn)品中，并可使用可移除存儲驅(qū)動器814、硬盤驅(qū)動器812、或者通信接口824加載到計算機系統(tǒng)800中。應(yīng)用模塊806被處理器804執(zhí)行時，使得處理器804執(zhí)行如在此所述的本發(fā)明的功能。

主存儲器808可被加載有一個或多個應(yīng)用模塊806，所述應(yīng)用模塊806可被一個或多個處理器804執(zhí)行以實現(xiàn)期望的任務(wù)，所述處理器可具有或不具 有通過I/O接口830輸入的用戶輸入。在運行中，當至少一個處理器804執(zhí)行一個應(yīng)用模塊806時，結(jié)果被計算并存儲在輔助存儲器810(也就是，硬盤驅(qū)動器812)中。獲得模擬的結(jié)構(gòu)特性(例如有限元分析結(jié)果)的計算機模擬的狀態(tài)以文字或者圖形表示的方式通過I/O接口830報告給用戶。

雖然參照特定的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的，并不用于限制本發(fā)明。本技術(shù)領(lǐng)域的人員可得到暗示，對具體公開的示范性實施例做出各種修改和改變。例如，雖然圖示和描述了公式基于應(yīng)變值的輪廓，但是在物理金屬測試中獲得/測量的其它應(yīng)變值的輪廓也可以被用于實現(xiàn)相同的目的。此外，雖然二維有限元已經(jīng)被圖示和描述用于本發(fā)明，其他類型的有限元也可以用于實現(xiàn)相同的目的，例如一維有限元(梁單元)或者三維有限元(實體單元)。通常，在三維有限元中有一個主要應(yīng)變值和兩個次要應(yīng)變值?？傊?，本發(fā)明的范圍不限于在此公開的特定示范性實施例，對本技術(shù)領(lǐng)域人員來說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和范圍以及所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。