一种接触面的线性分析方法和装置与流程

1.本发明示例性实施例涉及结构技术领域，尤其涉及一种接触面的线性分析方法和装置。


背景技术：

2.在机械、建筑、轨道交通领域中，通常需要预测静摩擦接触的稳定性，以免发生装夹不牢、紧固件松动、结构失效等问题。目前，在采用用计算机有限元接触分析预测摩擦接触的稳定性时，存在以下问题：
3.用的是非线性算法，需要多次迭代，计算规模庞大；而且由于解法、单元尺寸、收敛条件(增量、迭代次数、误差)等的不同结果也不同，假设条件太多导致精度较差，且有可能求不出解，无法得到想要的结果，收敛条件等的参数的试运行错误也无法避免，输出文件往往很大。
4.而且由于分析的过程中通过采用假设某个理想模型(例如库伦摩擦)的方式，设定某个摩擦系数进行计算，实际上摩擦系数不是简单的常数，因此对于结果也有影响。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明示例性实施例的目的在于提出一种接触面的线性分析方法和装置，以解决目前采用非线性算法分析接触面的摩擦出现的分析时间长、效率低下问题。
6.基于上述目的，本发明示例性实施例提供了一种接触面的线性分析方法，包括：
7.分别确定两物体的第一接触面和第二接触面；
8.对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，建立两物体的有限元分析模型；
9.通过所述有限元分析模型确定所述第一接触面和所述第二接触面的耦合节点；
10.对所述耦合节点进行线性求解。
11.结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述通过所述有限元分析模型确定所述第一接触面和所述第二接触面的耦合节点，包括：
12.将所述两物体看作一个整体；
13.对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，将网格中重合的节点作为耦合节点。
14.结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述对所述耦合节点进行线性求解，包括：
15.对所述第一接触面以及所述第二接触面的所有耦合节点的节点力进行综合求解，得到综合受力；
16.将所述综合受力代入预设的试验数据进行计算，得到计算结果；
17.根据所述计算结果预测所述两物体之间是否会产生相对滑动。
18.结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述对所述耦合节点
进行线性求解，包括：
19.提取所述耦合节点力；
20.分解所述耦合节点力。
21.结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述方法还包括：
22.通过可视化的方式显示线性分析过程。
23.第二方面，本发明还提供了一种接触面的线性分析装置，包括：
24.确定模块，用于分别确定两物体的第一接触面和第二接触面；
25.建模模块，用于对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，建立两物体的有限元分析模型；
26.耦合模块，用于通过所述有限元分析模型确定所述第一接触面和所述第二接触面的耦合节点；
27.解析模块，用于对所述耦合节点进行线性求解。
28.上述的装置，所述耦合模块，还用于：
29.将所述两物体看作一个整体；对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，将网格中重合的节点作为耦合节点。
30.上述的装置，所述解析模块还用于：
31.求解子模块，用于对所述第一接触面以及所述第二接触面的所有耦合节点的节点力进行综合求解，得到综合受力；
32.代入子模块，用于将所述综合受力代入预设的试验数据进行计算，得到计算结果；
33.分析子模块，用于根据所述计算结果预测所述两物体之间是否会产生相对滑动。
34.第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的接触面的线性分析方法。
35.第四方面，本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的接触面的线性分析方法。
36.从上面所述可以看出，本发明示例性实施例提供的接触面的线性分析方法和装置，将两物体的接触面在建立有限元分析模型形成的重合节点进行自由度耦合，并采用线性算法对耦合节点的力进行计算，之后读取力的矢量，并进行分解，再结合试验数据判断接触分析结果，相较于传统的用非线性接触算法，一个简单的螺栓～螺母接触问题用高配置工作站需要计算80小时，而用本发明的上述方法则可以快1000倍，在几十秒钟内给出准确结果，且本发明的计算与传统的分析方法中假设数据的分析方式不同，是采用了实际试验数据，进而使得最终的分析精度也更高。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明示例性实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明示例性实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为传统方式有限元非线性分析方法示意的分析方式；
39.图2为本发明示例性实施例接触面的线性分析方法的示意图；
40.图3为本发明示例性实施例的节点耦合示意图；
41.图4为本发明示例性实施例耦合节点力示意图；
42.图5为本发明示例性实施例的提取力的示意图；
43.图6为本发明示例性实施例分解力的示意图；
44.图7为本发明示例性实施例一具体实施方式中的流程示意图；
45.图8为本发明示例性实施例预测相对滑动时的应力示意图；
46.图9为本发明示例性实施例的接触面的线性分析装置示意图；
47.图10为本发明示例性实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
48.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
49.需要说明的是，除非另外定义，本发明示例性实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明示例性实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
50.结合图1所示，传统方式中的非线性算法大部分接触单元都采用罚刚度(接触刚度)来保证接触界面的协调性。接触弹簧产生变形δ，满足平衡方程：
51.f＝kδ
52.式中k为接触刚度(δ为穿透量，是一个数学量，物理上不会真的穿透)。
53.除了在表面间传递法向运动(压力),接触单元还传递切向运动(摩擦)。接触单元采用切向罚刚度保证切向方向的协调性，其通过惩罚函数、穿透系数、接触刚度以及抗滑移系数、若干方程等的迭代确定最终结果。
54.图2为本发明实施例提供的流程图，本实施例可适用于对接触面进行分析的情况，具体包括如下步骤：
55.在步骤110中，分别确定两物体的第一接触面和第二接触面；
56.所述两物体可以为螺母和螺栓，螺母的内表面和螺栓的外表面之间通过螺纹连接，螺纹接触的部位分别为螺母的第一接触面和螺栓的第二接触面。
57.又如所述两物体为两块钢板，钢板之间的接触面分别为第一接触面和第二接触面。
58.对两物体的接触面进行划分，接触为宏观为曲面的接触面时，则亦可通过对曲面进行多区域划分，每一划分后的区域无限接触平面的方式确定所述第一接触面和所述第二接触面。
59.所述第一接触面和所述第二接触面即对平面和曲面不作区分。
60.在步骤120中，对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，建立两物体的有限元分析模型；
61.结合图2所示，为划分网格后的第一接触面和第二接触面，并通过cae方法建立两物体的有限元分析模型。
62.在步骤130中，通过所述有限元分析模型确定所述第一接触面和所述第二接触面的耦合节点；
63.对于网格划分后形成的重合部分，作为所述耦合节点，本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述耦合节点为将将所述两物体看作一个整体；对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分后，将网格中重合的节点作为耦合节点。
64.所述第一接触面和所述第二接触面的耦合节点为通过自由度耦合的节点。
65.结合图3中所示，为耦合节点的示意图。
66.在步骤140中，对所述耦合节点进行线性求解。
67.通过有限元分析求得耦合节点力矢量，其结果如图4所示。
68.结合图5及图6所示，提取每一耦合节点的节点力矢量，并对耦合节点力矢量分解，以实现对所述耦合节点的线性求解。
69.结合图7所示，为本发明示例性实施例的一种具体实施过程，本发明的接触面的线性分析方法包括前处理和后处理，其中的前处理包括有限元分析模型的建立过程，例如对接触面进行网格划分，将接触面的节点自由度耦合，以及后处理的线性求解过程，包括读取接触面节点应力矢量；节点应力矢量分解；将分解的矢量代入预设的试验数据进行计算，最终输出线性分析结果，线性分析的过程不同于非线性分析，其分析过程仅需要几十秒即可。
70.本发明方法，将两物体的接触面在建立有限元分析模型形成的重合节点进行自由度耦合，并采用线性算法对耦合节点的力进行计算，之后读取力的矢量，并进行分解，再结合试验数据判断接触分析结果，相较于传统的用非线性接触算法，一个简单的螺栓～螺母接触问题用高配置工作站需要计算80小时，而用本发明的上述方法则可以快1000倍，在几十秒钟内给出准确结果，且本发明的计算与传统的分析方法中假设数据的分析方式不同，是采用了实际试验数据，进而使得最终的分析精度也更高。
71.本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述对所述耦合节点进行线性求解，包括：
72.对所述第一接触面以及所述第二接触面的所有耦合节点的节点力进行综合求解，得到综合受力；
73.结合图4所示，每一个耦合节点的受力如箭头方向所示，其均可能是不同的，对上述耦合节点的受力进行综合求解，得到两物体的接触面的综合受力，
74.将所述综合受力代入预设的试验数据进行计算，得到计算结果；
75.例如，基于库仑定律，两物体发生相对滑动的最大静摩擦力均可通过试验得到对应的数据，所述预设的试验数据为针对于同类型的两物体的最大摩擦力等相关数据，将所述综合受力代入预设的试验数据进行计算，能够能够二者之间的对比得到计算结果。
76.根据所述计算结果预测所述两物体之间是否会产生相对滑动。
77.当所述综合受力大于预设的试验数据时，则可预测所述两物体之间会产生相对滑
动，否则不会产生相对滑动。
78.所述预设的试验数据可为经过试验得到的两物体之间的抗滑移系数或抗滑移应力。
79.本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述方法还包括将上述步骤以可视化的方式进行显示，结合图2～4所示，可通过可视化的方式将上述线性分析过程进行展示。
80.结合图8所示，两物体之间的综合受力大于最大摩擦力后会产生想到滑动，并且在大于最大摩擦力之后两物体之间产生相对位移，且两物体之间的耦合节点之间的节点应力减小。
81.相较于传统方式的非线性分析过程，在通过长时间的分析之后，非线性算法还可能会出现不收敛的情况，得不到分析结果或者计算报错，而采用本发明的线性算法原则上不会出现这类故障，而且短时间内即可得到分析结果，由于本发明的方法将两物体视为一个整体，基于线性算法按照一定方式进行的分析，因此分析结果是对两物体之间是否会产生相对滑动的结果，大幅节约了整体分析过程花费的时间。
82.图9为本发明实施例提供的一种接触面的线性分析装置的结构示意图，该装置可由软件和/或硬件实现，一般地集成于智能终端中，可通过接触面的线性分析方法来实现。如图所示，本实施例可以以上述实施例为基础，提供了一种接触面的线性分析装置，其主要包括了确定模块910、建模模块920、耦合模块930及解析模块940。
83.其中的确定模块910，用于分别确定两物体的第一接触面和第二接触面；
84.建模模块920，用于对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，建立两物体的有限元分析模型；
85.其中的耦合模块930，用于通过所述有限元分析模型确定所述第一接触面和所述第二接触面的耦合节点；
86.其中的解析模块940，用于对所述耦合节点进行线性求解。
87.本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述耦合模块930，还用于：
88.将所述两物体看作一个整体；对所述第一接触面和所述第二接触面进行网格划分，将网格中重合的节点作为耦合节点。
89.本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述解析模块940包括：
90.求解子模块，用于对所述第一接触面以及所述第二接触面的所有耦合节点的节点力进行综合求解，得到综合受力；
91.代入子模块，用于将所述综合受力代入预设的试验数据进行计算，得到计算结果；
92.分析子模块，用于根据所述计算结果预测所述两物体之间是否会产生相对滑动。
93.上述实施例中提供的接触面的线性分析装置可执行本发明中任意实施例中所提供的接触面的线性分析方法，具备执行该方法相应的功能模块和有益效果，未在上述实施例中详细描述的技术细节，可参见本发明任意实施例中所提供的接触面的线性分析方法。
94.图10示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。
95.处理器1010可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处
理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。
96.存储器1020可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行本发明实施例的接触面的线性分析方法。
97.输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
98.通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
99.总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。
100.需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
101.本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序及程序本身的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息，以用于执行本发明实施例的上述接触面的线性分析方法的技术方案。
102.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明示例性实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
103.另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明示例性实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明示例性实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明示例性实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐
述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明示例性实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
104.尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
105.本发明示例性实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明示例性实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。