结构的多个平面中的裂纹传播的有限元建模和分析制造技术

结构的多个平面中的裂纹传播的有限元建模和分析。提供了一种用于预测结构中的裂纹的传播的设备。提供了有限元模型，该有限元模型通过在正交的潜在裂纹平面中具有被定义在相邻元素之间的界面的元素的网格来表示所述结构的层。交叠界面元素被定义在所述界面处并且包括多个节点对，所述多个节点对沿着多个界面间隔开并且所述多个节点对之间具有包括结合节点对的节点集群。各个节点对的所述节点与在所述界面的相反侧的所述相邻元素的相应的节点重合。所述有限元模型在外部负载下的分析被执行，其中裂纹尖端被建立在节点集群处。所述节点集群的所述结合节点对的所述节点之间的应变能量释放率被计算并且所述裂纹的传播基于此被识别。

【技术实现步骤摘要】
结构的多个平面中的裂纹传播的有限元建模和分析
本公开一般地涉及数值建模和分析，并且具体地，涉及用于预测遍历包括多个层的结构的多个平面中的裂纹的传播的有限元建模和分析。
技术介绍
数值建模和分析技术是许多工程结构和组成它们的结构组件的设计和验证中的一个重要工具。一个常见的基于计算机的数值建模和分析技术是有限元建模和分析。例如，根据各种数值建模和分析技术，计算机模型可以按几何形状、元素、性质、负载、约束等定义工作环境，并且因此可被求解和分析以确定该工作环境内的工程结构的结构完整性。通过数值建模和分析并且在特定有限元分析中，可以能够将复杂系统分解成可管理的(有限)数量的元素(例如，作为一系列步骤绘制的曲线)。这些计算机模型及其分析可以被用于多个目的，诸如以帮助确定新飞机生产设计在各种负载环境下的行为。有限元分析已常常被利用来预测诸如复合层压件的结构中的现有的裂纹的起始和传播。一旦裂纹已通过初始方向，就可能在第二或第三方向上潜在地发生裂纹的附加起始或传播。然而，现有的有限元建模和分析技术不容易能够预测结构的两个或三个平面中的裂纹的起始和传播。具体地，利用现有的有限元计算机建模技术来预测材料中的裂纹起始和传播已经受到技术的许多限制妨碍。现有的技术不能够容易地预测包含材料或几何非线性或者展示非线性材料或几何响应(例如，作为大位移的结果)的结构中的裂纹的起始或传播。此外，这些技术中的一些需要多个计算机运行以使裂纹传播，这产生多个有限元解的冗长后处理。因此，可能期望具有考虑以上所讨论的问题以及可能其它问题中的至少一些的系统和方法。
技术实现思路
本公开的示例实施方式致力于一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的改进的系统、方法和计算机可读存储介质。具体地，所述系统可以通过利用遍及有限元模型的多个维度交叠的界面元素对所述结构的多个潜在裂纹平面(例如，两个或三个平面)进行建模来提供遍及所述潜在裂纹平面的裂纹的传播。在一些示例实施方式中，提供了一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的方法。所述方法可以包括产生或者接收所述结构的有限元模型，其中所述多个层通过壳体或实体元素的网格来表示并且各个壳体或实体元素利用节点的集合。所述壳体或实体元素的网格可以在相应的多个正交的潜在裂纹平面中具有被定义在所述壳体或实体元素的网格的相邻壳体或实体元素之间的多个界面。所述方法也可以包括遍及所述多个界面定义界面元素。各个界面元素包括多个外节点对，所述多个外节点对之间具有节点集群，使得所述界面元素的至少一部分在所述多个界面中的各个相应的界面内。各个外节点对的所述节点与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点重合。此外，针对所述多个界面中的各个相应的界面，所述节点集群中的各个节点跨越该相应的界面与所述节点集群中的相对节点结合从而成为结合节点对。所述结合节点对的所述节点和相对节点与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点重合。所述方法也可以包括在外部负载下执行所述有限元模型的有限元故障分析，其可以包括建立具有位于所述界面元素的所述节点集群处的尖端的裂纹，以及在所述外部负载下计算所述节点集群的所述结合节点对的所述节点之间的应变能量释放率。在至少一个实例中，所述方法也可以包括基于如此计算出的所述应变能量释放率识别沿着所述界面元素的所述裂纹的传播。在前述或任何后续示例实施方式的方法的一些示例实施方式或其任何组合中，所述多个界面包括在三个相应的正交的潜在裂纹平面中的三个界面，并且定义所述界面元素包括定义包括至少十二个外节点对的各个界面元素，所述至少十二个外节点对之间具有八节点集群，其中针对所述三个界面中的各个相应的界面，所述八节点集群中的各个节点跨越该相应的界面与所述八节点集群中的相邻节点结合，并且所述结合节点因此形成立方形状。在任何前述或任何后续示例实施方式的方法的一些示例实施方式或其任何组合中，定义所述界面元素包括，针对所述多个界面中的各个相应的界面，定义一系列界面元素，使得一个界面元素的至少一个外节点对被定位在相邻界面元素的结合节点对处。在任何前述或任何后续示例实施方式的方法的一些示例实施方式或其任何组合中，定义所述界面元素包括定义所述界面元素，使得各个结合节点对的所述节点之间具有无限刚度，并且各个外节点对的所述节点之间具有零刚度，以及识别所述裂纹的所述传播包括在所述裂纹传播通过的在所述界面元素内的各个结合节点对的所述节点之间指派零刚度。在任何前述或任何后续示例实施方式的方法的一些示例实施方式或其任何组合中，所述结合节点对的所述节点在所述裂纹的所述传播之前彼此重合，并且识别所述裂纹的所述传播包括识别至少一个结合节点对的所述节点之间的所述裂纹的传播，并且响应于此，拆散所述至少一个结合节点对的所述节点，使得其节点彼此不重合以对所述裂纹的传播进行建模。在任何前述或任何后续示例实施方式的方法的一些示例实施方式或其任何组合中，计算所述应变能量释放率包括计算结合节点对之间的至少一个力和所述界面元素的外节点对的所述节点之间的位移，以及至少部分地基于所述至少一个力和所述位移计算所述应变能量释放率。在任何前述或任何后续示例实施方式的方法的一些示例实施方式或其任何组合中，执行所述有限元故障分析包括至少部分地基于所述裂纹的所述传播确定所述结构的一个或更多个故障模式。在一些示例实施方式中，提供了一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的设备。所述设备包括处理器和存储可执行指令的存储器，所述可执行指令响应于由所述处理器执行，使所述设备实现许多子系统，诸如可以被配置为至少执行任何前述示例实施方式或其任何组合的方法的预处理系统、处理系统和后处理系统。在一些示例实施方式中，提供了一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质是非暂时性的并且在其中存储有计算机可读程序代码部分，所述计算机可读程序代码部分响应于由处理器执行，使设备至少执行任何前述示例实施方式或其任何组合的方法。从连同在下面简要地描述的附图一起阅读以下详细描述中，本公开的这些及其它特征、方面和优点将是显而易见的。本公开包括此公开中所阐述的两个、三个、四个或更多个特征或元素的任何组合，而不管这些特征或元素是否被明确地组合或者以其它方式记载在本文所描述的特定示例实施方式中。此公开旨在被全面地阅读，使得除非本公开的上下文另外清楚地规定，否则本公开的任何可分开的特征或元素在其方面和实施方式中的任一个中应该被视为预定的，即为可组合的。因此应当了解，本
技术实现思路
是仅仅为了概括一些示例性实施方式的目的而提供的，以便提供对本公开的一些方面的基本理解。因此，应当了解，上述示例性实施方式仅仅是示例，而不应该被解释为以任何方式使本公开的范围或精神变窄。根据结合附图进行的以下详细描述，其它示例实施方式、方面和优点将变得显而易见，附图通过示例来例示一些描述的示例实施方式的原理。附图说明在用一般术语如此描述了本公开的示例实施方式后，现在将参照附图，附图未必按比例绘制，并且其中：图1是根据本公开的示例实施方式的数值建模和分析系统的例示；图2A、图2B、图2C、图3、图4、图5、图6和图7描绘了根据本公开的示例实施方式的结构的有限元模型及其元素(包括多个界面元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的设备(900)，所述设备(900)包括处理器(902)和存储可执行指令的存储器，所述可执行指令响应于由所述处理器(902)执行，使所述设备(900)至少：产生或者接收所述结构的有限元模型(200、300、400)，其中所述多个层通过壳体或实体元素的网格来表示，所述壳体或实体元素的网格的各个壳体或实体元素利用节点(204)的集合，并且所述壳体或实体元素的网格在相应的多个正交的潜在裂纹平面中具有被定义在所述壳体或实体元素的网格的相邻壳体或实体元素之间的多个界面(206)；遍及所述多个界面(206)定义界面元素(208)，各个界面元素(208)包括多个外节点对，所述多个外节点对之间具有节点集群，使得该界面元素(208)的至少一部分在所述多个界面(206)中的各个相应的界面内，各个外节点对的所述节点(204)与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点(204)重合，其中，针对所述多个界面(206)中的各个相应的界面，所述节点集群中的各个节点跨越该相应的界面与所述节点集群中的相对节点结合，从而成为结合节点对，所述结合节点对的所述节点和相对节点与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点(204)重合；以及在外部负载下执行所述有限元模型(200、300、400)的有限元故障分析，包括所述设备(900)被使得：建立具有位于所述界面元素的所述节点集群处的尖端的裂纹；以及在所述外部负载下计算所述节点集群的所述结合节点对的所述节点(204)之间的应变能量释放率；以及在至少一个实例中，基于如此计算出的所述应变能量释放率识别沿着所述界面元素(208)的所述裂纹的传播。...

【技术特征摘要】
2016.07.01 US 15/200,9201.一种用于预测包括多个层的结构中的裂纹的传播的设备(900)，所述设备(900)包括处理器(902)和存储可执行指令的存储器，所述可执行指令响应于由所述处理器(902)执行，使所述设备(900)至少：产生或者接收所述结构的有限元模型(200、300、400)，其中所述多个层通过壳体或实体元素的网格来表示，所述壳体或实体元素的网格的各个壳体或实体元素利用节点(204)的集合，并且所述壳体或实体元素的网格在相应的多个正交的潜在裂纹平面中具有被定义在所述壳体或实体元素的网格的相邻壳体或实体元素之间的多个界面(206)；遍及所述多个界面(206)定义界面元素(208)，各个界面元素(208)包括多个外节点对，所述多个外节点对之间具有节点集群，使得该界面元素(208)的至少一部分在所述多个界面(206)中的各个相应的界面内，各个外节点对的所述节点(204)与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点(204)重合，其中，针对所述多个界面(206)中的各个相应的界面，所述节点集群中的各个节点跨越该相应的界面与所述节点集群中的相对节点结合，从而成为结合节点对，所述结合节点对的所述节点和相对节点与在该相应的界面的相反侧的所述相邻壳体或实体元素的相应的节点(204)重合；以及在外部负载下执行所述有限元模型(200、300、400)的有限元故障分析，包括所述设备(900)被使得：建立具有位于所述界面元素的所述节点集群处的尖端的裂纹；以及在所述外部负载下计算所述节点集群的所述结合节点对的所述节点(204)之间的应变能量释放率；以及在至少一个实例中，基于如此计算出的所述应变能量释放率识别沿着所述界面元素(208)的所述裂纹的传播。2.根据权利要求1所述的设备(900)，其中，所述多个界面(206)包括在三个相应的正交的潜在裂纹平面中的三个界面(206)，并且其中，所述设备(900)被使得定义所述界面元素(208)包括所述设备(900)被使得定义各个界面元素(208)，所述各个界面元素(208)包括至少十二个外节点对，所述至少十二个外节点对之间具有八节点集群，并且针对所述三个界面(206)中的各个相应的界面，所述八节点集群中的各个节点跨越该相应的界面与所述八节点集群中的相邻节点结合，所结合的节点(204)由此形成立方形状。3.根据权利要求1或2所述的设备(900)，其中，所述设备(900)被使得定义所述界面元素(208)包括，针对所述多个界面(206)中的各个相应的界面，所述设备(900)被使得定义一系列界面元素(208)，使得一个界面元素(208)的至少一个外节点对被定位在相邻界面元素的结合节点对处。4.根据权利要求1或2所述的设备(900)，其中，所述设备(900)被使得定义所述界面元素(208)包括所述设备(900)被使得定义所述界面元素(208)，使得各个结合节点对的所述节点(204)之间具有无限刚度，并且各个外节点对的所述节点(204)之间具有零刚度，并且其中，所述设备(900)被使得识别所述裂纹的所述传播包括所述设备(900)被使得在所述裂纹传播通过的在所述界面元素内的各个结合节点对的所述节点(204)之间指派零刚度。5.根据权利要求1或2所述的设备(...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·E·马布森，M·拉姆纳特，M·E·威尔金森，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US