越过定向空间边界后相变的两相材料的数值模拟方法及系统

摘要

公开了一种越过定向空间边界后相变的两相材料的数值模拟。FEA模型包括表示两相材料的有限元。每个有限元与一材料标识符相关联，该材料标识符包括分别与两相材料的第一和第二相相对应的第一和第二组材料属性。每个有限元初始分配第一组材料属性。在时间推进模拟期间的每一个求解周期中，对于瞬时相变，处于同一材料标识符下的第二组材料属性分配给那些被确定已经越过定向空间边界的有限元。对于渐进相变，位于转变区域的有限元的材料属性是通过第一和第二组材料属性的插值进行计算。数值模拟结构行为与根据相同的材料标识符集合在一起的有限元一起计算。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及一种两相材料的数值模拟方法及系统，该两相材料在越过定向空间边界后相变。

背景技术

有限元是一种常用的数值模拟计算方法，在工程设计和科研领域得到非常广泛的应用。但目前缺少有效的模拟两相材料相变的方法和系统。

发明内容

本发明公开了一种越过定向空间边界后相变的两相材料的数值模拟方法、系统及软件产品。两相材料的定向空间边界的定义和包括多个用于表示两相材料的有限元的有限元分析(FEA)模型由安装有至少一应用模块的计算机系统接收。每个有限元与一材料标识符相关联，该材料标识符包括分别与两相材料的第一和第二相相对应的第一和第二组材料属性。两相材料在越过定向空间边界后由第一相变为第二相。

每个有限元初始分配第一组材料属性。使用FEA模型以获取两相材料在材料流动方向上移动的数值模拟结构行为的时间推进模拟被进行。在时间推进模拟期间的多个求解周期的每一个中，对于具有瞬时相变的定向空间边界，处于同一材料标识符下的第二组材料属性分配给那些被确定已经越过定向空间边界的有限元。对于具有渐进相变的定向空间边界，位于转变区域的有限元的材料属性通过处于同一材料标识符下的第一和第二组材料属性的插值进行计算。

数值模拟结构行为与根据相同的材料标识符集合在一起的有限元一起计算。

在一实施例中，定向空间边界包括将三维空间分成两个区域的平面。两相材料在越过该平面后立即相变。该平面由第一和第二节点定义，第一节点位于平面上，第二节点用于定义材料流动方向。

在另一实施例中，定向空间边界包括第一和第二平行平面，分别用于两相材料的相变的开始和结束。两平行平面由第一和第二节点定义，第一节点位于第一平面上，第二节点位于第二平面上。材料流动方向由第一节点到第二节点的方向定义。

本发明的一个优点是关于计算效率。在用于时间推进模拟中的显式解技术中，所需的用于两相材料的第一相和第二相的最小时间步长大小可以截然不同。两相的材料属性在同一材料标识符下定义，这允许有限元被集合在一起以采用某些数值算法以加速计算，例如，子循环。

本发明的其他目的、特征和优点是显而易见的，在仔细阅读以下实施例的详细描述，并结合附图。

附图说明

本发明的这些和其他特征、方面以及优点会被更好的理解，对于以下叙述、所附权利要求以及如下附图：

图1a-1b共同示出了模拟越过定向空间边界后相变的两相材料的一示例方法的流程,根据本发明的一实施例；

图2a-2c为示出了表示两相材料的FEA模型越过第一示例定向空间边界的一系列图,根据本发明的一实施例；

图3a-3c为示出了表示两相材料的FEA模型越过第二示例定向空间边界的一系列图，根据本发明的一实施例；

图4a为表示在图2a-2c中的第一示例定向空间边界的透视示意图；

图4b为表示在图3a-3c中的第二示例定向空间边界的透视示意图；

图5为表示被有限元分析应用模块处理的有限元的示例集合方案图；和

图6为表示一个示例计算机系统的主要部件的功能图，本发明的一实施例可以在其中实施。

具体实施方式

图1a和图1b共同示出了模拟越过定向空间边界后相变的两相材料的一示例方法100的流程,根据本发明的一实施例。方法100优选结合其他附图一起理解，其在软件中实现。

方法100开始在步骤102，在一个计算机系统(例如图6中的计算机系统600)中通过接收由有限元分析(FEA)模型表示的两相材料的定向空间边界的定义，至少一个应用模块(例如，FEA软件)安装在计算机系统中。

有限元分析(FEA)模型包括多个有限元(例如，实体单元、板单元、梁单元)。示例有限元包括但不限于四边形单元、三角形单元、六面体单元和四面体单元。每个有限元与一材料标识符相关联，该材料标识符包括分别与两相材料的第一和第二相相对应的第一和第二组材料属性。

然后，在步骤103，材料流动方向和定向空间边界的类型由收到的定义确定。有两类不同的定向空间边界。第一类(如图2a-2c和图4a中的例子所示)是瞬时相变。换句话说，两相材料在越过定向空间边界后立即由第一相变为第二相。第二类(如图3a-3c和图4b中的例子所示)是渐进相变。换句话说，当材料越过定向空间边界时，两相材料渐进地由第一相变为第二相。

在一实施例中，图2a-2c为表示两相材料的FEA模型示例在材料流动方向210越过第一示例定向空间边界220的一系列图。在图2a中，FEA模型表示两相材料的第一相200a由定向空间边界220的一侧开始。接着，FEA模型在朝着定向空间边界220的方向210上移动。结果如图2b所示，FEA模型跨越定向空间边界220，FEA模型的一部分处于两相材料的第一相200a,另一部分处于两相材料的第二相200b。如图2c所示，整个FEA模型已经越过定向空间边界220，因此，表示两相材料处于第二相200b。

第一示例定向空间边界包括如图4a中所示的平面400。平面400可以用两个节点定义：第一节点401位于平面400上，连接第一节点401到第二节点412的向量410定义了图2a-2c中的材料流动方向210。向量410也是平面400的正法线向量。并且，平面400将三维空间划分为两个区域，其中一个区域用于两相材料的第一相，另一个区域用于两相材料的第二相。虽然，所示的平面400为有限尺寸，那些本领域的普通技术人员知晓平面400可以是无限尺寸。

在另一实施例中，在材料流动方向310上的第二示例定向空间边界如图3a-3c所示。第二示例定向空间边界包括两个界面：第一界面320a为材料相变的开始，第二界面320b为材料相变的结束。表示两相材料的FEA模型开始由第一相300a向第一界面320a运动，如图3a所示，随着FEA模型的有限元到达第一界面320a两相材料开始转变到第二相。当有限元到达第二界面320b，相变到第二相300c完成。在相变过程中，位于两个界面320a和320b之间的转变区域300b中的每个有限元的材料属性可以通过两相材料的两相之间的插值获得，例如，线性插值。

表示第二示例定向空间边界的一个例子如图4b所示，两个平行平面451、452由位于第一节点461和第二节点462(由用户定义)上的各自的形心所定义，与第一个例子类似，由连接第一节点461到第二节点462形成的向量460定义了材料流动方向(例如图3a-3c中所示的材料流动方向310)，其为平面451、452的正法线向量。

在步骤104，方法100分配第一组材料属性给FEA模型的所有有限元。换句话说，表示两相材料的FEA模型的每个有限元初始化为第一相。

接着，在决策步骤105，确定采用何种类型的定向空间边界用于时间推进模拟。当瞬时相变类型被确定时，在步骤106，使用FEA模型以获取两相材料在材料流动方向上移动的数值模拟结构行为的时间推进模拟被进行。

时间推进模拟包括多个求解周期(例如时间步长)。在每个求解周期，已经被分配第一组材料属性的有限元被检查以确定它们中的任一个是否已经越过定向空间边界的位置(例如，图2a-2c中所示的第一示例的第一节点)。在一实施例中，使用有限元的形心来确定其是否已经越过定向空间边界。在另一实施例中，使用有限元的角节点之一。在又一实施例中，使用有限元的积分点。

同一材料标识符下的第二组材料属性分配给任何这样确定的有限元。两相材料的数值结构行为被计算。计算与根据各自的材料标识符集合在一起的有限元一起进行。具有相同材料标识符的有限元集中在一组中。由于两相材料在同一材料标识符下用两组不同的材料属性定义，计算可以高效地进行，例如，保持向量化。

当在决策步骤105中确定为渐进相变时，方法100进行步骤108。使用FEA模型以获取两相材料在材料流动方向上移动的数值模拟结构行为的时间推进模拟被进行。在时间推进模拟的每个求解周期，每个有限元被检查以确定它们是否处于转变区域(例如，图3b中所示的位于第一节点320a和第二节点320b之间的转变区域)。当有限元被这样确定，一组新的材料属性通过处于同一材料标识符下的第一和第二组材料属性的插值计算出。有很多已知的两组数值的插值方法，例如，线性插值。对于到达转变区域末端的有限元，该有限元将会分配第二组材料属性。

模拟结构行为然后可以使用FEA模型中的所有有限元进行计算。由于处于同一材料标识符下的有限元被集合在一起，用于执行插值和计算结构行为的计算效率都可以实现。

图5为表示有限元的示例集合方案图，其可以在至少一个计算数值模拟结构行为的应用模块中实现。如图5所示，有限元的每组分配相同的材料标识符(例如，组1用材料ID1，组2用材料ID2，等等)。示例的材料属性可以包括，但不限于，密度、泊松比、模量等。

根据另一方面，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600的例子在图6中示出。计算机系统600包括一个或多个处理器，例如处理器604。处理器604连接到计算机系统内部通信总线602。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600还包括主存储器608，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器610。辅助存储器610包括例如一个或多个硬盘驱动器612和/或一个或多个可移除存储驱动器614，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器614用已知的方式从可移除存储单元618中读取和/或向可移除存储单元618中写入。可移除存储单元618代表可以由可移除存储驱动器614读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元618包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。

在可选实施例中，辅助存储器610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600。这样的机制包括例如可移除存储单元622和接口620。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622和允许软件和数据从可移除存储单元622传递到计算机系统600的接口620。通常，计算机系统600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602的通信接口624。通信接口624允许软件和数据在计算机系统600和外部设备之间传递。通信接口624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600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624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624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600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614和/或设置在硬盘驱动器612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600的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统600还包括输入/输出(I/O)接口630，它使得计算机系统600能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪、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606存储在主存储器608和/或辅助存储器610中。也可通过通信接口624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600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604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600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614、硬盘驱动器612、或者通信接口624加载到计算机系统600中。应用模块606被处理器604执行时，使得处理器604执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器608可被加载有一个或多个应用模块606，所述应用模块606可被一个或多个处理器604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630输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器604执行一个应用模块606时，结果被计算并存储在辅助存储器610(也就是，硬盘驱动器612)中。有限元分析的状态可以文本或者图形的方式通过I/O接口630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，虽然定向空间边界被显示和描述为一个平面，但是物理对象的其他形式也是可用的，例如，框。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。