用于创建分层壳状结构的计算机网格模型的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种创建表示分层壳状结构的计算机模型的方法和系统。在计算机系统中，2‑D基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义被接收。所述2‑D基准网格模型包含由多个2‑D基准单元连接的多个基准节点，所述2‑D基准网格模型用于在所述2‑D基准网格模型的厚度方向上表示所述分层壳状结构的中平面，所述用户规定的定义包括所述层的数量和每个层的特征。根据从用户规定的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置；通过在每个对应的新节点位置再生基准节点，创建用于定义计算机模型的多个新节点，所述计算机模型表示所述分层壳状结构。根据所述用户规定的定义，在各个层形成计算机模型的对应的有限元。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及计算机辅助工程分析，更具体地涉及分层壳状结构的计算机网格模型的创建方法及其系统。
技术介绍
分层壳状结构(例如分层的复合材料)已经在从平台到飞机的工程产品中的许多应用中被使用，分层或者堆栈的壳状结构的一个特征是，材料的特性在厚度方向上从一层到另一层变化。分层壳状结构的例子是图2所示的夹层板系统200。应当注意，与平面内方向的尺寸相比，分层壳状结构的厚度通常较小。计算机辅助工程(CAE)分析已被用于帮助工程师和科学家设计产品，包括具有分层壳状结构的产品。示例性的CAE包括有限元分析(FEA)、边界元分析(BEA)等。使用CAE的一个要求是采用计算机网格模型表示产品。现有技术中采用在厚度上的不同单元类型和/或材料特性来创建这种计算机网格模型的方法是乏味和/或特设的。例如，用户操纵计算机网格模型，需要交互式图形预处理器。因此，期望有一种用于创建分层壳状结构的计算机网格模型的改进方法。
技术实现思路
本专利技术公开了一种创建表示分层壳状结构的计算机模型的方法和系统。在一个方面，在其上安装有计算机辅助工程CAE分析应用模块的计算机系统中，接收二维2-D基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义。所述2-D基准网格模型包含由多个2-D基准单元连接的多个基准节点，所述2-D基准网格模型用于在所述2-D基准网格模型的厚度方向上表示所述分层壳状结构的中平面，所述用户规定的定义包括所述层的数量和每个层的特征。根据从用户规定
的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置；在每个对应的新节点位置再生基准节点，创建用于定义计算机模型的多个新节点，所述计算机模型表示所述分层壳状结构；以及根据所述用户规定的定义，在各个层形成计算机模型的对应的有限元。在结合附图仔细阅读以下实施例的详细描述下，本专利技术的目的、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，本专利技术的这些和其他特征、方面和优点将会被更好地理解。图1是根据本专利技术的实施例的在计算机系统中执行的、用于创建表示分层壳状结构的计算机网格模型的示例性过程的流程图；图2是根据示例性分层壳状结构的透视图，所述分层壳状结构可以由本专利技术的实施例的计算机模型表示；图3是根据本专利技术的实施例的示例性分层壳状结构的透视图，所述分层壳状结构具有两个壳体有限元层、以及位于其之间的一个实体有限元；图4是根据本专利技术的一个实施例的示例性基准网格模型的透视图；图5是根据本专利技术的实施例、图3中的示例性分层壳状结构的示例性计算机模型的透视图；图6是根据本专利技术的一个实施例的示例性基准节点的法向矢量和所连接的2-D基准单元的法向矢量的透视图；图7是根据本专利技术一个实施例的壳体有限元层的示例性新节点位置的示意图；图8是根据本专利技术的一个实施例的实体有限元层的示例性节点位置的示意图，采用从用户规定的分层壳状结构的定义得到的一组规则来计算所述实体有限元层；图9是根据本专利技术的实施例、用于创建表示分层壳状结构的计算机模型的新节点位置的示意图；图10是根据本专利技术的实施例、分层壳状结构的两个替代的示例性计算机模型的透视图。图11为表示计算系统的主要部件的功能图，本专利技术的实施例可以在其中实现。具体实施方式首先参照图1，示出了根据本专利技术的一个实施例的用于创建分层壳状结构的计算机模型的示例性过程100的流程图。过程100优选地在软件中实施，并参照其它附图理解。图2示出了示例性的分层壳状结构200，例如，具有三层的叠层板。分层壳状结构也可以被称为堆栈的壳状结构，例如，图3示出了这样的例子。示例性的堆栈或者分层壳状结构300包含顶部和底部的薄层302-304(采用壳体有限元表示或者建模)、以及其之间的更厚的层310(采用实体有限元表示或者建模)。根据一个实施例，分层壳状结构的计算机模型不能包含两个连续的壳体有限元层。换句话说，在根据本专利技术的一个实施例的计算机模型中，两个壳体有限元层必须被至少一个实体有限元层分开。过程100从动作102开始，在其上安装有计算机辅助工程(CAE)分析应用模块的计算机系统(例如，图11的计算机系统1100)中，接收二维(2-D)基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义。2-D基准网格模型表示分层壳状结构的中平面。图4所示的示例性的2-D基准模型400包含多个基准节点405，基准节点405由多个2-D基准单元410连接。用户规定的定义包括层的数量和每个层的特征。特征包括每个层的标识(ID)、每个层的类型(壳体或者实体有限元)、每个层的厚度、以及每个层的材料特性。此外，如果单元类型是实体有限元，在厚度方向上的单元数量也被定义/规定。图5示出了从示例性的2-D基准网格模型500(由实线和点表示)创建的示例性的计算机模型510(由虚线表示)，它在分层壳状结构的厚度方向上位于中平面上。总厚度T是所有层的厚度之和，如下： T = Σ i = 1 n t i ]]>其中n是层的总数，ti是第i层的厚度。接下来，在动作104，获得2-D基准网格模型的每个2-D基准单元的单元法向矢量。有许多已知的方法来获得这样的法向矢量，例如，使用四边形单元的两个对角线矢量的交叉乘积(图6的虚线)。接下来，在动作106，通过将所有连接的单元的法向矢量平均，获得每个基准节点的法向矢量。图6示出了采用所有连接的基准单元的法向矢量605a-d获得基准节点的法向矢量610的示例性方案。壳体有限元由它的中平面节点坐标和厚度值描述。实际的物理顶部和底部表面源自于那里，但是这里不表示实际的节点。另一方面，实体有限元节点真实地描述离散体的实际几何形状，即，实际位于表面上的对应节点。这种差异导致以下事实：壳体和实体单元在叠层系统的厚度方向上的组合需要特殊的策略。根据一个实施例，两个连续的层一直共享它们之间相同的节点，即所有的层被牢固地连接。这种情况和之前描述的壳体和实体有限元之间的差异导致必要性：如果壳体和实体单元在堆栈顺序上紧随彼此，则它们部分地重叠。采用层级别生成方案(layer-wise generation scheme)，创建计算机模型的新节点和相关联的有限元。每个层的新节点仅仅是在厚度方向上移位的基准节点的副本。因此，中平面和垂直于中平面(即，由基准网格模型表示的平面)的局部方向矢量之间的距离或者新节点位置需要被计算。在动作108，根据从用户规定的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置，规则如下：a)对于每个壳体有限元层，要求一个节点位置来表示层的中平面；以及b)对于每个实体有限元层，要求两个节点位置来表示实体有限元层的下侧和上侧。为了确定节点位置，以下公式被用于实体有限元层i：1)当实体有限元层i被另一个实体有限元层紧随或者没有被任何有限元层紧随(最后一层)时：2)当实体有限元层i被壳体有限元层i+1紧随时，3)当实体有限元层i被另一个实体有限元层或者没有被任何有限元层领先(第一层)时，4)当实体有限元层i被壳体单元层i-1领先时，其中zi是中平面的坐标，ti是实体有限元层i的厚度，ti本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种创建表示分层壳状结构的计算机模型的方法，其特征在于，包括：在其上安装有计算机辅助工程CAE分析应用模块的计算机系统中，接收二维2‑D基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义，所述2‑D基准网格模型包含由多个2‑D基准单元连接的多个基准节点，所述2‑D基准网格模型用于在所述2‑D基准网格模型的厚度方向上表示所述分层壳状结构的中平面，所述用户规定的定义包括所述层的数量和每个层的特征；采用所述CAE分析应用模块，获得每个所述2‑D基准单元的法向矢量；采用所述CAE分析应用模块，通过将所有连接的2‑D基准单元的法向矢量平均，获得每个基准节点的法向矢量；采用所述CAE分析应用模块，根据从用户规定的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置；采用所述CAE分析应用模块，通过一次在一个层上、在每个对应的新节点位置再生基准节点，创建用于定义计算机模型的多个新节点，所述计算机模型表示所述分层壳状结构；以及采用所述CAE分析应用模块，根据所述用户规定的定义，在各个层形成计算机模型的对应的有限元。

【技术特征摘要】
2015.05.09 US 62/159,248;2015.05.17 US 14/714,3271.一种创建表示分层壳状结构的计算机模型的方法，其特征在于，包括：在其上安装有计算机辅助工程CAE分析应用模块的计算机系统中，接收二维2-D基准网格模型和分层壳状结构的用户规定的定义，所述2-D基准网格模型包含由多个2-D基准单元连接的多个基准节点，所述2-D基准网格模型用于在所述2-D基准网格模型的厚度方向上表示所述分层壳状结构的中平面，所述用户规定的定义包括所述层的数量和每个层的特征；采用所述CAE分析应用模块，获得每个所述2-D基准单元的法向矢量；采用所述CAE分析应用模块，通过将所有连接的2-D基准单元的法向矢量平均，获得每个基准节点的法向矢量；采用所述CAE分析应用模块，根据从用户规定的定义得到的一组规则，计算沿着各基准节点的法向矢量的一组新的节点位置；采用所述CAE分析应用模块，通过一次在一个层上、在每个对应的新节点位置再生基准节点，创建用于定义计算机模型的多个新节点，所述计算机模型表示所述分层壳状结构；以及采用所述CAE分析应用模块，根据所述用户规定的定义，在各个层形成计算机模型的对应的有限元。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个层的特征包括标识符ID、单元类型和厚度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单元类型包括壳体或者实体有限元。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个层的特征进一步包括当所述单元类型是实体有限元时在所述厚度方向上所述单元的数量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分层壳状单元结构不包括两个连续的层，所述连续的层是壳体有限元。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一组规则包括以下公式：当实体有限元层i被另一个实体有限元层紧随，或者所述实体有限元层i是最后一层时，当所述实体有限元层i被壳体有限元层i+1紧随时，当实体有限元层i被另一个实体有限元层领先或者所述实体有限元层i是第一层时，当所述实体有限元层i被壳体单元层i-1领先时，其中zi是所述实体有限元层i的中平面坐标，ti是所述实体有限元层i...

【专利技术属性】
技术研发人员：托比亚斯·埃尔哈特，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US