用于执行预期会经历金属缩颈失效的结构的时间推进数值模拟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，更具体地涉及用于执行预期会经历金属缩颈失效的结构的时间推进数值模拟的方法和系统。

背景技术：

计算机辅助工程分析(CAE)已经被用于在许多任务中支持工程师。例如，在结构或者工程产品设计程序中，CAE分析，尤其是有限元分析(FEA)，已经经常被用于预知在各种模拟的负荷条件下(例如，静态或动态)的结构特性(例如，应力、位移等)。

为了在有限元分析中数值模拟金属缩颈失效，FEA的用户规定了失效标准。现有技术的方法已经从使用金属缩颈失效中颈部周围的平均应变(例如，基于平均应变获得的数据，平均应变采用应变仪测量)进行物理金属样本测试发展而来。结果，用户需要规定依赖于有限元网格(单元尺寸)的一组金属缩颈失效标准。这些现有技术的方法经常导致预备输入数据的混乱和困难，且导致不正确的模拟，因为用户需要基于这些不真实的和特别的要求来准备失效标准。

因此期望有用于在预期会经历金属缩颈失效的结构的时间推进数值模拟中规定与网格大小独立的金属缩颈失效标准的方法和系统。

技术实现要素：

本发明公开了一种用于执行预期会经历金属缩颈失效的结构的时间推进模拟的方法和系统。按照一个方面，在计算机系统中，定义和接收表示至少部分由金属制成的结构的FEA模型、一组金属缩颈失效标准、以及颈部的特征。所述FEA模型包含表示所述结构的金属部分的至少多个有限元，所述金 属缩颈失效标准包括用于各种负荷条件或者在各种以负荷路径图形式定义的应变方向上的各临界应变和断裂应变值。特征包括所述颈部的宽度和所述颈部宽度内的应变值的轮廓。

使用所述FEA模型来执行时间推进数字数值模拟，获得结构特性。在时间推进模拟的每个求解周期中，在每个有限元的每个积分点执行以下操作：(a)从计算的应变值识别主要和次要的应变值以及方向；(b)采用基于所述一组金属失效标准中的对应的临界和断裂应变值、所述颈部的特征、以及所述每个有限元相对于主要应变方向的特征尺寸的公式，计算所述主要应变方向上的等价的金属缩颈失效应变值；以及(c)当所述主要应变值大于所述等价的金属缩颈失效应变值时，确定发生金属缩颈失效。

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执行预期会经历金属缩颈失效的结构的时间推进数值模拟的示例性过程的流程图；

图2是根据本发明的实施例的示例性金属的应力-应变关系的示意图；

图3是根据本发明的实施例的示例性的一组用户规定的金属缩颈失效标准的示意图；

图4是根据本发明的实施例的可以在FEA模型中使用的各种示例性的有限元的示意图；

图5A-5C是根据本发明的实施例的识别主要和次要应变值、以及在有限元的积分点处的对应方向的示意图；

图6A是根据本发明的实施例的临界应变和断裂应变值之间的应变值的示例性轮廓图的一系列示意图；

图6B是根据本发明的实施例的临界应变和断裂应变值之间的应变值的替 代性示例性轮廓图的一系列示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的获得各临界和断裂应变值的示例性方案的示意图。

图8为表示示例性计算机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，它是根据本发明的一个实施例的执行预期会经历金属缩颈失效的结构的时间推进数值模拟的示例性过程100的流程图。过程100优选地在软件中实施，且参照其他附图理解。

过程100在动作102开始，在其上安装有FEA应用模块的计算机系统(例如，图8的计算机系统800)中接收表示至少部分由金属制成的结构的FEA模型、一组用户规定的金属缩颈失效标准、以及颈部的特征。FEA模型包含用于表示结构的金属部分的至少多个有限元。该组用户规定的金属缩颈失效标准包括在各种负荷条件或者应变方向(例如，图3的负荷路径图)上的各临界和断裂应变值。颈部的特征包括颈部的宽度和颈部内的应变值的轮廓。

图2示出了根据本发明的一个实施例的示例性应力-应变曲线200的示意图，应力-应变曲线可以被用于确定包括缩颈的屈服后结构特性。曲线200具有表示应力204的垂直轴线和表示应变202的水平轴线。材料具有两个区域：弹性212和塑性214。塑性区域214被进一步划分为三个种类：屈服215、应变硬化216和缩颈217。在应力-应变曲线200的弹性区域的顶端是屈服点220，屈服应力对应于屈服点220。临界应变232对应于极限强度点222，且断裂应变234对应于断裂位置224。

图3示出了根据本发明的实施例的示例性的一组用户规定的金属缩颈失效标准，金属缩颈失效标准是负荷路径示意图300的形式。负荷路径示意图300具有两个轴线：垂直轴线表示主要应变(ε₁)方向上的应变值，水平轴线表示次要应变(ε₂)方向上的应变值。用户规定的金属标准是在各种负荷条件或者应变方向上的各临界应变值332和断裂应变值334。例如，双向拉伸负荷 被图示为由(ε₂＝ε₁)标记的虚线。单向拉伸负荷被示为由(ε₂＝-ε₁/2)标记的虚线。

回到过程100，在动作104，通过采用FEA应用模块、使用FEA模型来执行结构的时间推进数值模拟，获得结构特性。时间推进模拟包含多个求解周期或者时间步骤。在每个求解周期，FEA模型的每个有限元的每个积分点被确定是否经历了金属缩颈失效。确定通过以下操作来实现：在动作104a，从计算的应变值识别主要和次要的应变值以及对应的方向，在动作104b，从基于用户规定的金属失效标准中的对应的临界和断裂应变值、颈部的特征、以及有限元的对应特征尺寸的公式，计算主要应变方向上的等价的金属失效应变值，以及在动作104c，当主要应变值大于所计算的等价的金属失效应变值时，确定发生金属缩颈失效。

图4示出了根据本发明的一个实施例的可以在FEA模型中使用的各种有限元的示意图。第一有限元410包含一个积分点415，具有特征尺寸l_c 412。第二有限元420具有四个积分点425，具有特征尺寸l_c 422。第三有限元430包含一个积分点435，具有两个特征尺寸l_c1 432和l_c2 434。积分点是FEA的有限元内的位置，以执行数值积分，以便计算结构特性(例如应变)。在二维有限元内，在坐标系统的两个方向上计算应变。为了本发明的目的，两个计算的应变值中较大的正应变(即，被拉伸伸展)被称为主要应变。另一个被称为次要应变，次要应变可以是正的(被拉伸)或者负的(被压缩)。

图5A-5C示出了根据本发明的一个实施例的识别主要和次要应变值、以及在有限元的积分点处的对应方向的三个例子。为了阐述的目的，所有的应变或者拉伸都被夸大，以便更容易观看。

在图5A所示的第一个例子中，有限元500在两个方向上伸展，具有主要应变(ε₁)502和次要应变(ε₂)504。两个应变都是正的(即，被拉伸)且ε₁>ε₂。在积分点501，总的应变值510是主要应变值502和次要应变值504的合成。主要和次要应变值之间的应变角度(β)520定义了总的应变方向，总的应变方向与用户定义的金属片失效标准(图3的图示300)内的一个负荷方向相联系。

在图5B所示的第二个例子中，壳体有限元520在一个方向上伸展，仅具 有主要应变(ε₁)522。次要应变在这个例子中为零(未画出)。结果，积分点521处的总应变值530等于主要应变值522。应变角度是零(未图示)。

图5C示出了第三个例子，其中有限元540的主要应变值(ε₁)542是正的(即，被拉伸)而次要应变值(ε₂)544是负的(被压缩)。总应变值550和应变角度(β)560定义的总应变方向被作为结果示出。

应变角度对应于负荷路径图300的负荷路径。例如，在图3中示出，当在双向拉伸负荷路径ε1＝ε2上时，应变角度等于45度，而在单向拉伸负荷路径上应变角度是-22.5度。

图6A示出了在它的主要应变方向(即，图6A的水平方向)上被拉伸的示例性有限元。金属从原始未变形的尺寸l₀ 602开始。在这个例子中，l₀ 602是有限元相对于主要应变方向的特征尺寸l_c。金属被伸展附加的长度Δl，刚好在缩颈阶段之前的极限强度点至变形长度l₁ 606(即，l₁＝l₀+Δl)。图6A还示出了颈部宽度w 604，颈部宽度w 604可以从物理材料测试获得/测量得到。在这个点上，金属经历临界应变ε_c。金属在断裂发生前被进一步伸展至最终的长度l₁+dw 608，且颈部宽度增加至最终的宽度w+dw 616。

进一步在图6A中示出的是临界应变值ε_c 614和断裂应变值ε_f 612之间的应变值的示例性轮廓，临界应变值ε_c 614对应于金属的极限长度，断裂应变值ε_f 612对应于刚好在断裂前被伸展的金属。轮廓在断裂处在最终宽度为w+dw 616的颈部具有三角形形状610。三角形610的面积是(w+dw)*(ε_f-ε_c)/2。接下来等价的金属失效应变值ε_e计算如下：

l₁＝l₀+Δl

${\mathrm{\ϵ}}_c=ln\frac{l_1}{l_0}$

$l_1=l_0{e}^{{\mathrm{\ϵ}}_c}$

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

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

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

示例性的方案在图7中示出，用于获得主要应变方向上的各个临界和断裂应变值。首先，从所识别的主要和次要应变值和方向，计算应变角度β710。然后通过映射位于应变角度710定义的负荷路径上的对应临界和断裂应变值702-704，确定主要方向上的临界应变值ε_c 712和断裂应变值ε_f 714。

在替代性实施例中，曲线轮廓660在图6B中示出。为了建立等价的金属失效应变值，需要计算曲线轮廓下方的面积。

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800的例子在图8中示出。计算机系统800包括一个或多个处理器，例如处理器804。处理器804连接到计算机系统内部通信总线802。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800还包括主存储器808，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器810。辅助存储器810包括例如一个或多个硬盘驱动器812和/或一个或多个可移除存储驱动器814，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814用已知的方式从可移除存储单元818中读取和/或向可移除存储单元818中写入。可移除存储单元818代表可以由可移除存储驱动器814读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元818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810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800。这样的机制包括例如可移除存储单元822和接口820。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822和允许软件和数据从可移除存储单元822传递到计算机系统800的接口820。通常，计算机系统800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802的通信接口824。通信接口824允许软件和数据在计算机系统800和外部设备之间传递。通信接口824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800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824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824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800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814和/或设置在硬盘驱动器812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800的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统800还包括输入/输出(I/O)接口830，它使得计算机系统800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806存储在主存储器808和/或辅助存储器810中。也可通过通信接口824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800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804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800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814、硬盘驱动器812、或者通信接口824加载到计算机系统800中。应用模块806被处理器804执行时，使得处理器804执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器808可被加载有一个或多个应用模块806，所述应用模块806可被一个或多个处理器804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830输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器804执行一个应用模块806时，结果被计算并存储在辅助存储器810(也就是，硬盘驱动器812)中。获得模拟的结构特性(例如有限元分析结果)的计算机模拟的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口830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，虽然图示和描述了公式基于应变值的轮廓，但是在物理金属测试中获得/测量的其它应变值的轮廓也可以被用于实现相同的目的。此外，虽然二维有限元已经被图示和描述用于本发明，其他类型的有限元也可以用于实现相同的目的，例如一维有限元(梁单元)或者三维有限元(实体单元)。通常，在三维有限元中有一个主要应变值和两个次要应变值。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。