专利名称：采用无网格法数字模拟嵌入式双材料的结构特性的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及在计算机辅助工程分析(例如有限元法(FEM)、无网格法等等)领域使用的方法、系统和软件产品，更具体地说，涉及数字模拟嵌入式双材料(例如颗粒增强复合物、纤维增强复合物等等)结构特性的方法和系统。
背景技术：
复合材料是其间具有可识别分界面的两种或多种不同材料的微观或者宏观组合。复合材料的研发是由于没有单种同类结构材料具有给定应用的全部期望特性。例如，研发高强度和相对较高硬度、重量较轻且抗腐蚀疲劳的纤维增强复合物来取代铝合金。采用计算机辅助工程分析来预测这种复合材料的结构特性。然而使用现有技术的方法对嵌入式双材料进行数字模拟具有许多不足。图1中示出了简化的二维方向上的嵌入式双材料模型以及对应的现有技术的FEM模型120。该双材料100包括两种材料外部(基底)材料102和内部(嵌入或浸入)材料104。数字模拟该材料的传统FEM需要整个材料界面110上的匹配或限定网格。标准有限元形状函数用于近似求解潜在边界值问题。然而，生成适合FEM的匹配网格(例如FEM网格120)，特别是在不规则几何形状界面生成适合FEM的匹配网格是非常困难的。大多数时候，在界面问题中匹配网格的创建需要实质的用户交互，并且十分耗时。这一困难的例子示出为环绕内部材料的区域122中的不规则栅格。其他的现有技术存在类似的问题。在一个例子中，粘土 FEM使用域分解技术来处理失配的网格。但是，粘土 FEM需要使用拉格朗日乘数，而这有时会违反所谓的inf-sup条件，从而导致数值不稳定(也就是，无解)。在其他例子中，使用过“通用FEM (GFEM)”、“扩展FEM (XFEM)”、“浸入FEM (IFEM)”，但是结果因过于昂贵(例如计算要求/费用极高或者在三维中的应用存疑)而无法获得。另一现有技术方法基于无网格法。在90年代，无网格法成为最受瞩目的研究课题之一。在过去十年里，完成了很多使用无网格分析的应用。图2中示出了示例的无网格模型200，描绘了物理域Ω202和其边界或边沿Γ 203。为了表示物理域202，使用了多个无网格节点204。表示物理域的无网格节点并不具有特定的图案(pattern)。这些网格节点在域202中规律地间隔排布或者位于域202中的任意位置。这些无网格节点可位于物理域的内部或边界上。每个节点204包括影响域或支撑(support) 206-208。在下文中，“影响域”和“支撑”可以互换使用。每个节点的支撑的形状和大小可以是任意的。例如，支撑的形状可以是四边形206或圆形208。在三维支撑的例子中，该支撑的形状可以是球形的。 该支撑的大小可以是一平方英尺或者该支撑可以是半径为16英寸的圆形支撑。该支撑具有不规则几何形状。由于物理域202的无网格节点表示204的灵活性，实际的为无网格法创建计算机模型的方法将使用已经从预处理软件包中生成的FEM模型节点数据。该预处理软件可以是单机软件包或者是工程设计或分析计算机程序产品包的内置部分。
然而，对于嵌入式双材料的结构特性模拟，现有技术的无网格法需要增加界面约束和界面节点组以确保数字模拟结果中的界面可见度。增加界面节点必需手动完成。此外，必须调节每个增加的节点积分单元(integration cell)使得可以完全地控制域积分。在三维条件中扩展手动节点调节不仅是不普通的，而且有时还是不可能的。因此，较为理想的是，提供一种用于数字模拟嵌入式双材料结构特性的新的改良计算机辅助工程分析方法和系统。
发明内容
本发明公开了用于数字模拟嵌入式双材料(例如复合物)的结构特性的方法和系统。根据本发明的一个方面，为包含整个嵌入到基底材料(也就是第一材料)的浸入材料(也就是第二材料)的嵌入式双材料独立创建至少第一和第二栅格模型。所述第一和第二栅格模型用于定义域(也就是，嵌入式双材料)的几何形状和用作无网格法的积分单兀。第一栅格模型表不基底和嵌入材料。第二栅格模型表不浸入的材料。确定界面节点组以定义基底和嵌入材料之间的材料界面。通过检验第二栅格模型，将位于外边沿或边缘上的第二栅格模型的那些节点指定为界面节点。第一和第二组无网格节点基于栅格模型创建。第一组无网格节点表示整个域(也就是，基底+嵌入材料)。第二组无网格节点表示浸入或嵌入材料，其包括全部的界面节点和材料界面界定的空间中全部的节点。使用结合了两个无网格近似的无网格法以第一和第二网格节点组模拟嵌入式双材料的数字结构特性。所述第一无网格近似覆盖第一组无网格节点并且基于基底材料的性质，而所述第二无网格近似覆盖第二组无网格节点并且基于浸入材料和基底材料之间的差异(differential)。
本发明的这些和其它特征、方面和优点通过以下描述、权利要求和附图能得到更好的理解，其中附图如下图1是简化二维嵌入式双材料和现有技术的有限元方法模型的示意图；图2是使用无网格法的示例离散域的示意图；图3是根据本发明的一个实施例、使用无网格法模拟嵌入式双材料的结构特性的示例方法的流程图；图4-1是根据本发明的实施例的二维中的示例嵌入式双材料的示意图；图4-2是根据本发明的一个实施例的、图4-1示出的示例嵌入式双材料的栅格模型的不意图；图4-3是根据本发明的一个实施例的、示例嵌入式双材料的第一组无网格节点和对应的第一背景栅格模型的示意图；图4-4是根据本发明的一个实施例的、示例嵌入式双材料的第二组无网格节点和对应的第二背景栅格模型的示意图；图4-5是根据本发明的一个实施例的、示例嵌入式双材料的靠近材料界面的非限定无网格近似的图表；
图4-6是根据本发明的一个实施例的、示例嵌入式双材料的靠近材料界面的限定无网格近似的图表；图4-7和4-8是根据本发明的一个实施例的、沿着使用非限定和限定无网格近似的材料界面的连续性(continuity)示意图；图5是示例的计算机系统的主要部件(salient component)原理框图，可在其中执行本发明的一个实施例。
具体实施例方式首先参照图3，示出了根据本发明的一个实施例的、数字模拟嵌入式双材料的结构特性的示例方法300的流程图。示例方法300优选在软件中执行，并可以参照其他附图进
行理解。方法300始于步骤302，接收嵌入式双材料的配置。例如，嵌入式双材料包含基底(外部)和浸入(内部)材料。该浸入材料整个嵌入到基底材料(也就是，参见4-1作为例子)。接着，在步骤304创建第一和第二计算机栅格模型(如有限元法网格模型)。该第一计算机栅格模型表示整个嵌入式双材料(也就是，基底材料+浸入材料)，而第二计算机栅格模型表示浸入材料。栅格模型的创建是彼此独立的。换句话说，在这两个栅格模型之间没有关联，各个节点不需要匹配或者对准。每个栅格模型包含定义网格的多个节点。图4-2示出了彼此重叠的两个示例栅格模型422a-b。接着，在步骤306，确定并指定界面节点组。该界面节点组定义了基底和浸入材料之间的材料界面。确定该界面节点的示例方法是检查浸入材料的栅格模型(也就是，第二计算机栅格模型)。指定位于外边界/边缘上的节点作为界面节点(示出为图4-4中的实心黑色圆点441)。在步骤308，创建表示整个嵌入式双材料的第一组无网格节点。一个示例方法是将来自第一和第二栅格模型的节点不加复制地组合。换句话说，在组合过程中，移除任何复制节点。图4-3示出的示例的第一组无网格节点430(也就是，全部的圆环一空心的、实心的、填充的)和对应的栅格模型435。在步骤310，通过包括界面节点441和位于界面节点441中的无网格节点442-443创建图4-4中示出的第二组无网格节点440。无网格节点442 (示出为阴影圆环)以及界面节点(示出为实心圆点)是从表示浸入材料的第二栅格模型创建的节点，而无网格节点443(示出为空心圆环)为从位于材料界面中的第一栅格模型创建的节点。在步骤312，执行至少两个无网格近似(也就是，第一和第二无网格近似)。第一无网格近似覆盖第一组无网格节点且使用基底材料的性质实现。第二无网格近似覆盖第二组无网格节点且使用基底材料和浸入材料之间的性质差异实现。下列的等式(17)- (18)的两个积分(intergral)分别表示两个无网格近似。最后，在步骤314，通过组合第一和第二无网格近似结果，可获得数字模拟结构特性(例如，压力、应变、位移(displacement)等等)。问题描述和变分方程我们认为，弹性体占用具有利普希茨边界(Lipschitz boundary)的有边界开放域。使得和汉2V为边界的两个开放子集，这样4和 dQD n 8Qn = 0 爱欠)是应用到狄利克雷边界(Dirichlet boundary) 上的预定位 移，且是应用到诺伊曼边界(Neumann boundary) SOv上的预定牵引，其中
%表示边界己的外向单位法线。该弹性体由具有0厚度界面r的两种极佳的有边界材 料组成。弹性体的平衡配置由跨越材料界面r的位移连续性和法向应力的连续性表征。弹 性界面问题可以下列的二阶椭圆边界值问题和界面r上的相关齐次狄利克雷和诺伊曼跳 跃条件描述
权利要求
1.一种数字模拟嵌入式双材料的结构特性的方法，其特征在于，所述方法包括接收嵌入式双材料的配置，所述嵌入式双材料包括基底材料和至少一种浸入材料；从所述接收的配置独立创建第一和第二计算机栅格模型，所述第一计算机栅格模型表示整个嵌入式双材料，所述第二计算机栅格模型表示所述浸入材料；从所述第二计算机栅格模型获得界面节点组，所述界面节点组定义了所述基底材料和所述浸入材料之间的材料界面；创建表示所述嵌入式双材料的第一组无网格节点，所述第一组无网格节点源自所述第一和第二计算机栅格模型；指定第一组无网格节点中那些位于材料界面界定的空间中的无网格节点为第二组无网格节点；且使用所述第一和第二组无网格节点、以组合至少第一和第二无网格近似的结果的无网格法，获得所述嵌入式双材料的模拟结构特性，所述第一无网格近似覆盖所述第一组无网格节点且基于所述基底材料特性，而所述第二无网格近似覆盖所述第二组无网格节点且基于所述浸入材料和所述基底材料之间的特性差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸入材料整个嵌入到所述基底材料中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一计算机栅格模型和所述第二计算机栅格模型之间没有关联。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述界面节点组是所述第二计算机栅格模型的外边界或边缘节点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述创建表示所述嵌入式双材料的第一组无网格节点包括组合来自所述第一和第二计算机栅格模型的各个节点；在所述组合各个节点的过程中，当新加入的节点是已有节点的复制时，删除已有节点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在各节点支撑上执行所述第一和第二组无网格节点的数学积分获得所述第一和第二无网格近似。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一和第二无网格近似包括在所述界面节点组提供克罗内克S特性。
8.一种数字模拟嵌入式双材料结构特性的系统，其特征在于，所述系统包括输入输出(I/O)接口 ；存储器，存储用于一个或多个应用模块的计算机可读代码，所述一个或多个应用模块配置成用于模拟嵌入式双材料的结构特性；至少一个处理器，耦连所述存储器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的所述计算机可读代码以使得所述一个或多个应用模块执行以下操作接收嵌入式双材料配置，所述嵌入式双材料包括基底材料和至少一种浸入材料；从所述接收的配置独立创建第一和第二计算机栅格模型，所述第一计算机栅格模型表示整个嵌入式双材料，所述第二计算机栅格模型表示所述浸入材料；从所述第二计算机栅格模型获得界面节点组，所述界面节点组定义了所述基底材料和所述浸入材料之间的材料界面；创建表示所述嵌入式双材料的第一组无网格节点，所述第一组无网格节点源自所述第一和第二计算机栅格模型；指定第一组无网格节点中那些位于材料界面界定的空间中的无网格节点为第二组无网格节点；且使用所述第一和第二组无网格节点、以组合至少第一和第二无网格近似的结果的无网格法获得所述嵌入式双材料的模拟结构特性，所述第一无网格近似覆盖所述第一组无网格节点且基于所述基底材料特性，而所述第二无网格近似覆盖所述第二组无网格节点且基于所述浸入材料和所述基底材料之间的特性差异。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述浸入材料整个嵌入到所述基底材料中。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述界面节点组是所述第二计算机栅格模型的外边界或边缘节点。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述创建表示所述嵌入式双材料的第一组无网格节点包括组合来自所述第一和第二计算机栅格模型的各个节点；在所述组合各个节点的过程中，当新加入的节点是已有节点的复制时，删除已有节点。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，通过在各节点支撑上执行所述第一和第二组无网格节点的数学积分获得所述第一和第二无网格近似。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一和第二无网格近似包括在所述界面节点组提供克罗内克S特性。
全文摘要
本发明公开了用于数字模拟嵌入式双材料结构特性的方法和系统。为包含整个嵌入到基底材料的浸入材料的嵌入式双材料独立创建至少第一和第二栅格模型。第一组无网格节点表示整个域(也就是，基底+浸入材料)。第二组无网格节点表示浸入或嵌入材料，其包括全部的界面节点和位于材料界面界定的空间中的节点。使用包含两个无网格近似的无网格法以第一和第二网格节点组模拟嵌入式双材料的数字结构特性。所述第一无网格近似覆盖第一组无网格节点并且基于基底材料的性质，而所述第二无网格近似覆盖第二组无网格节点并且基于浸入材料和基底材料之间的差异。
文档编号G06F17/50GK103034748SQ20121027540
公开日2013年4月10日 申请日期2012年8月3日 优先权日2011年10月3日
发明者吴政唐 申请人:利弗莫尔软件技术公司