用于创建分层壳状结构的计算机网格模型的方法和系统与流程

本发明总的涉及计算机辅助工程分析，更具体地涉及分层壳状结构的计算机网格模型的创建方法及其系统。

背景技术：

分层壳状结构(例如分层的复合材料)已经在从平台到飞机的工程产品中的许多应用中被使用，分层或者堆栈的壳状结构的一个特征是，材料的特性在厚度方向上从一层到另一层变化。分层壳状结构的例子是图2所示的夹层板系统200。应当注意，与平面内方向的尺寸相比，分层壳状结构的厚度通常较小。

计算机辅助工程(CAE)分析已被用于帮助工程师和科学家设计产品，包括具有分层壳状结构的产品。示例性的CAE包括有限元分析(FEA)、边界元分析(BEA)等。使用CAE的一个要求是采用计算机网格模型表示产品。现有技术中采用在厚度上的不同单元类型和/或材料特性来创建这种计算机网格模型的方法是乏味和/或特设的。例如，用户操纵计算机网格模型，需要交互式图形预处理器。因此，期望有一种用于创建分层壳状结构的计算机网格模型的改进方法。

技术实现要素：

本发明公开了一种创建表示分层壳状结构的计算机模型的方法和系统。在一个方面，在其上安装有计算机辅助工程CAE分析应用模块的计算机系统中，接收二维2-D基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义。所述2-D基准网格模型包含由多个2-D基准单元连接的多个基准节点，所述2-D基准网格模型用于在所述2-D基准网格模型的厚度方向上表示所述分层壳状结构的中平面，所述用户规定的定义包括所述层的数量和每个层的特征。根据从用户规定 的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置；在每个对应的新节点位置再生基准节点，创建用于定义计算机模型的多个新节点，所述计算机模型表示所述分层壳状结构；以及根据所述用户规定的定义，在各个层形成计算机模型的对应的有限元。

在结合附图仔细阅读以下实施例的详细描述下，本发明的目的、特征和优点是明显的。

附图说明

参照以下的描述、所附的权利要求和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将会被更好地理解。

图1是根据本发明的实施例的在计算机系统中执行的、用于创建表示分层壳状结构的计算机网格模型的示例性过程的流程图；

图2是根据示例性分层壳状结构的透视图，所述分层壳状结构可以由本发明的实施例的计算机模型表示；

图3是根据本发明的实施例的示例性分层壳状结构的透视图，所述分层壳状结构具有两个壳体有限元层、以及位于其之间的一个实体有限元；

图4是根据本发明的一个实施例的示例性基准网格模型的透视图；

图5是根据本发明的实施例、图3中的示例性分层壳状结构的示例性计算机模型的透视图；

图6是根据本发明的一个实施例的示例性基准节点的法向矢量和所连接的2-D基准单元的法向矢量的透视图；

图7是根据本发明一个实施例的壳体有限元层的示例性新节点位置的示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的实体有限元层的示例性节点位置的示意图，采用从用户规定的分层壳状结构的定义得到的一组规则来计算所述实体有限元层；

图9是根据本发明的实施例、用于创建表示分层壳状结构的计算机模型的新节点位置的示意图；

图10是根据本发明的实施例、分层壳状结构的两个替代的示例性计算机模型的透视图。

图11为表示计算系统的主要部件的功能图，本发明的实施例可以在其中实现。

具体实施方式

首先参照图1，示出了根据本发明的一个实施例的用于创建分层壳状结构的计算机模型的示例性过程100的流程图。过程100优选地在软件中实施，并参照其它附图理解。图2示出了示例性的分层壳状结构200，例如，具有三层的叠层板。分层壳状结构也可以被称为堆栈的壳状结构，例如，图3示出了这样的例子。示例性的堆栈或者分层壳状结构300包含顶部和底部的薄层302-304(采用壳体有限元表示或者建模)、以及其之间的更厚的层310(采用实体有限元表示或者建模)。

根据一个实施例，分层壳状结构的计算机模型不能包含两个连续的壳体有限元层。换句话说，在根据本发明的一个实施例的计算机模型中，两个壳体有限元层必须被至少一个实体有限元层分开。

过程100从动作102开始，在其上安装有计算机辅助工程(CAE)分析应用模块的计算机系统(例如，图11的计算机系统1100)中，接收二维(2-D)基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义。2-D基准网格模型表示分层壳状结构的中平面。图4所示的示例性的2-D基准模型400包含多个基准节点405，基准节点405由多个2-D基准单元410连接。用户规定的定义包括层的数量和每个层的特征。特征包括每个层的标识(ID)、每个层的类型(壳体或者实体有限元)、每个层的厚度、以及每个层的材料特性。此外，如果单元类型是实体有限元，在厚度方向上的单元数量也被定义/规定。

图5示出了从示例性的2-D基准网格模型500(由实线和点表示)创建的示例性的计算机模型510(由虚线表示)，它在分层壳状结构的厚度方向上位于中平面上。总厚度T是所有层的厚度之和，如下：

$T={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{t}_i$

其中n是层的总数，t_i是第i层的厚度。

接下来，在动作104，获得2-D基准网格模型的每个2-D基准单元的单元法向矢量。有许多已知的方法来获得这样的法向矢量，例如，使用四边形单元的两个对角线矢量的交叉乘积(图6的虚线)。接下来，在动作106，通过将所有连接的单元的法向矢量平均，获得每个基准节点的法向矢量。图6示出了采用所有连接的基准单元的法向矢量605a-d获得基准节点的法向矢量610的示例性方案。

壳体有限元由它的中平面节点坐标和厚度值描述。实际的物理顶部和底部表面源自于那里，但是这里不表示实际的节点。另一方面，实体有限元节点真实地描述离散体的实际几何形状，即，实际位于表面上的对应节点。这种差异导致以下事实：壳体和实体单元在叠层系统的厚度方向上的组合需要特殊的策略。根据一个实施例，两个连续的层一直共享它们之间相同的节点，即所有的层被牢固地连接。这种情况和之前描述的壳体和实体有限元之间的差异导致必要性：如果壳体和实体单元在堆栈顺序上紧随彼此，则它们部分地重叠。

采用层级别生成方案(layer-wise generation scheme)，创建计算机模型的新节点和相关联的有限元。每个层的新节点仅仅是在厚度方向上移位的基准节点的副本。因此，中平面和垂直于中平面(即，由基准网格模型表示的平面)的局部方向矢量之间的距离或者新节点位置需要被计算。

在动作108，根据从用户规定的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置，规则如下：

a)对于每个壳体有限元层，要求一个节点位置来表示层的中平面；以及

b)对于每个实体有限元层，要求两个节点位置来表示实体有限元层的下侧和上侧。

为了确定节点位置，以下公式被用于实体有限元层i：

1)当实体有限元层i被另一个实体有限元层紧随或者没有被任何有限元层紧随(最后一层)时：

2)当实体有限元层i被壳体有限元层i+1紧随时，

3)当实体有限元层i被另一个实体有限元层或者没有被任何有限元层领先(第一层)时，

4)当实体有限元层i被壳体单元层i-1领先时，

其中z_i是中平面的坐标，t_i是实体有限元层i的厚度，t_i+1和t_i-1分别是相邻的壳体有限元层的厚度。

为了论证用于计算实体有限元层的节点位置的一组公式，示意图在图8中示出。

图7是具有三个层(壳体-实体-壳体)的计算机模型的示意图。坐标系统Z的原点在整个结构(即，由基准网格模型表示的)的中平面上。使用三个层的厚度(t₁、t₂、t₃)来计算三个中平面的坐标(Z₁、Z₂、Z₃)。

回到过程100，接下来在动作110，通过以层方式(也就是，一次复制一个层上的全部基准节点)在每个新节点位置再生基准节点，创建用于定义计算机模型的新节点，所述计算机模型表示分层壳状结构。

接下来，在动作112，根据用户规定的定义，在各个层形成对应的有限元。

新节点和对应有限元的生成从底层开始，且向上通过全部数量的层，直至顶层。通过将各个距离与节点法向矢量相乘，得到每个壳体有限元的新节点的坐标。如果必须为一个层在厚度上创建多于一个的实体单元，对应的节点在高度上均匀分布。采用2-D基准网格模型内的平面内连通性逻辑，生成新的有限元。图9示出了分层壳状结构900，包含壳体有限元的两个外层、以及内层的三个实体有限元。四个新节点位置910需要被计算。顶部和底部节点912-914由壳体和实体有限元共享。最后，每个层被赋予它自己的标识符(ID)、材料特性、以及特定有限元类型。

使用这种技术，不仅可以基于用户规定的定义来自动产生计算机模型，还允许不同的有限元类型(即，壳体和实体有限元)以任意的方式堆栈在彼此的顶部。图10示出了两个这样的例子。第一个例子1010具有从底部至顶部的顺 序：壳体(虚线)、两个厚的实体、壳体(虚线)、三个薄的实体和壳体(虚线)。第二个例子1020具有壳体(虚线)、两个厚的实体和两个薄的实体。

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1100的例子在图11中示出。计算机系统1100包括一个或多个处理器，例如处理器1104。处理器1104连接到计算机系统内部通信总线1102。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1100还包括主存储器1108，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器1110。辅助存储器1110包括例如一个或多个硬盘驱动器1112和/或一个或多个可移除存储驱动器1114，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1114用已知的方式从可移除存储单元1118中读取和/或向可移除存储单元1118中写入。可移除存储单元1118代表可以由可移除存储驱动器1114读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元1118包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在替代性实施例中，辅助存储器1110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1100。这样的机制包括例如可移除存储单元1122和接口1120。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1122和允许软件和数据从可移除存储单元1122传递到计算机系统1100的接口1120。通常，计算机系统1100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1102的通信接口1124。通信接口1124允许软件和数据在计算机系统1100和外部设备之间传递。通信接口1124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1100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1124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1124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1100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1114和/或设置在硬盘驱动器1112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1100的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统1100还包括输入/输出(I/O)接口1130，它使得计算机系统1100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1106存储在主存储器1108和/或辅助存储器1110中。也可通过通信接口1124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1100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1104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1100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1114、硬盘驱动器1112、或者通信接口1124加载到计算机系统1100中。应用模块1106被处理器1104执行时，使得处理器1104执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器1108可被加载有一个或多个应用模块1106，所述应用模块1106可被一个或多个处理器1104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1130输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器1104执行一个应用模块1106时，结果被计算并存储在辅助存储器1110(也就是，硬盘驱动器1112)中。有限元分析(例如具有由复合材料制成的部分的结构的模拟)的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口1130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，虽然已经采用四边形基准单元描述和图示了示例性的基准网格模型，但其他类型的基准单元也可以完成相同的基准网格模型，例如三角形基准单元。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。