有限元分析中的热流体－结构交互模拟制造技术

本发明专利技术涉及使用总体流流体单元（ＢＦＦＥ）模拟热流体－结构交互。每个ＢＦＦＥ都包括以下特征：１）实体单元的至少一个包围层，表示周围结构或者管道壁；２）壳单元或者体节点段层，表示流体的外边界；３）位于ＢＦＦＥ中心的体节点，用于定义流体特性（例如，密度、比热）和体积（也就是，体节点与环绕体节点的所有体节点段之间的封闭空间被计算为流体体积）；４）流体流梁单元或者体节点单元，用于定义到另一个ＢＦＦＥ的流体流动路径；以及５）实体单元与壳单元之间的接触界面，用于进行热流体－结构交互。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构(例如，金属冲压工具)的计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及在用于设计结构的有限元分析中执行总体流流体(bulk flow fluid)随时间推进的热流 体-结构交互(fluid-structure interaction)模拟。
技术介绍
有限元分析(FEA)是一种计算机辅助方法，被广泛用于工业以进行建模和解决与 复杂系统相关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名字来自以下事实被 考察的物体的几何形状是特定的。随着现代数字计算机的出现，FEA已经作为FEA软件被实 施。基本上，FEA软件设有几何形状描述的模型、以及在模型内的每个点处的相关材料特性。 在这个模型中，被分析系统的几何形状由不同尺寸的实体(solid)、壳(shell)和梁(beam) 来表示，这些实体、壳和梁被称为单元。各单元的顶点被称为节点(node)。该模型由有限数 量的单元构成，这些单元被赋予与材料特性相关的材料名。因此该模型代表了被分析物体 及其即刻环境(immediate surrounding)所占据的物理空间。然后，FEA软件涉及一个表 格，每种材料类型的特性被列在该表格中(例如，应力_应变构成等式、杨氏模量、泊松比、 导热性)。另外，物体的边界条件(也就是，负荷、物理约束、热流量等)被指定。通过这种 方式，便创建出物体及其环境的模型。FEA已经被汽车制造商越来越多地用于设计和优化汽车制造的各方面，例如空气 动力学性能、结构完整性、部件制造等。类似地，飞机制造商依靠FEA在第一个原型被研发 出来很久之前就预知飞机的性能。一个受欢迎的FEA任务就是模拟金属成型(例如，钣金 冲压或者金属部件成型)。金属成型指的是薄钣金部件或者工件(例如挡板(fender)、导槽(channel)、毂 盖、加强筋等)的制造过程。它包括利用液压机100将金属板延展、拉伸、和弯曲成期望的 形状，该液压机100包括至少一个上模(upper tool)或者冲头(punch) 112以及一个下模 (lower tool)或者凹模(die) 114，如图1所示。当冲头112按照箭头110所示的方向向下 冲压到凹模114上时，得到冲压出的金属部件113。金属成型还可以指金属紧固件的制造过 程，例如螺栓、螺钉或铆钉。许多金属成型工艺要求在施加压力将金属的形状变成期望的形 状之前，加热将金属(例如，板、杆、管、线等)软化。在热金属成型过程中，当冲头112每次冲压到凹模114上时，热量从被加热的金属 件113传导到凹模114。在生产某些金属部件时，凹模114在一次或多次冲压后需要被冷却 到特定温度范围。使用冷却系统而不是自然冷却可提高冷却效率，从而提高金属成型冲床 的产量。通常，通过使冷却液流经一个或多个冷却液通道115，可以实现更快的冷却，该冷却 液通道115通常嵌在凹模114内。冷却液通道115的某些设置或者布置可提高冷却效率， 从而进一步提高产量。但是，凹模114的制造费用很高。使用物理反复试验的方法通过实 验来确定冷却通道的最佳设置是非常昂贵的。因此，期望有一种计算机执行的方法，在用于设计结构的有限元分析中对总体流流体的热流体-结构交互进行模拟，例如对金属成型冲床内冷却液和凹模之间的热交互作 用进行模拟。
技术实现思路
本专利技术公开了一种在用于设计结构的有限元分析中对总体流流体的热流体_结 构交互(例如热金属成型工艺中凹模的冷却)进行模拟的系统、方法和软件产品。根据本 专利技术的一方面，用于冷却的总体流流体位于一个或多个流体流动路径中。在一个实施例中， 该路径是金属成型凹模中嵌入的通道。在另一个实施例中，该路径被封闭在包含冷却液的 管道中。每个流体流动路径都具有入口和出口，且每个都在入口和出口之间的三维空间内 具有任意形状和方向。流体路径的横截面包括简单的封闭式二维几何形状，例如圆形、椭 圆、或者多边形(例如，三角形、四边形、五边形等)。沿着每个流体流动路径形成一系列连 续的、集中均勻体积的流体或塞流(flow slug)，每个塞流表示包含在其中的总体流流体的 一部分。每个塞流都可以用以下描述的总体流流体单元(bulk flow fluid elements，简称 BFFE)来建模或者表示。 根据另一方面，每个BFFE都包括以下特征1)实体单元的至少一个包围层，表示 周围结构或者管道壁；2)壳单元或者体节点段(Bulk Node Segments)层，表示流体的外边 界；3)位于BFFE中心的体节点(Bulk Node)，用于定义流体特性(例如，密度、比热)和体 积(也就是，体节点与环绕体节点的所有体节点段之间的封闭空间被计算为流体体积)；4) 流体流梁单元或者体节点单元(Bulk Node Element)，用于定义到另一个BFFE的流体流动 路径；以及5)实体单元与壳单元之间的接触界面，用于进行热流体结构交互。根据另一方面，可以由已知方法定义体节点，例如，在三维空间的笛卡尔坐标系中 的坐标(X，y，Z)，其中X、y和Z是实数，坐标(X，y，ζ)唯一定义了空间中的一个点。每个 体节点段是四边形或者三角形表面区域，表示管道壁或者流体通道表面，其包围着体节点。 在一个BFFE中，体节点和每个体节点段之间的热交换或热交互是通过对流和辐射实现的。 体节点单元通过将各体节点相连，使一个BFFE与另一个BFFE相关联。这使得能够计算在 流动方向上的各体节点之间的传导和平流热交互或者热交换。根据另一方面，在可以开始模拟包括一个或多个BFFE的结构的热交互之前，定义 出初始边界条件(例如，某些位置的温度)。可以使用有限元分析软件模块、采用时间推进 或者时域解法来进行模拟。在时间推进的解法中，从初始时间(例如，t = 0)开始执行多 个求解周期。在每下一个求解周期，模拟时间以时间增量Qt)递增。在每个求解周期，计 算出每个BFFE处或者两个相连的BFFE之间的热交互或者热交换。相连的BFFE通过流体 流梁单元(也就是，体节点单元)来相关联。通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本专利技术的其他目的、特征和优点 将会变得显而易见。附图说明参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本专利技术的这些和其它 特征、方面和优点，其中图1是金属成型冲床和平板金属件的透视图2k是根据本专利技术一个实施例可被使用的第一示范性流体流动路径的示意图；图2B是根据本专利技术另一个实施例可被使用的多个第二示范性流体流动路径的示 意图；图3是根据本专利技术一个实施例的示范性总体流流体单元的透视图；图4A是根据本专利技术实施例表示管道内或者沿着流动路径的流体的多个示范性塞 流的示意图；图4B是图4A的示范性总体流流体路径在轴向上的截面图；图5A和5B共同示出了根据本专利技术实施例在结构的有限元分析中利用总体流流体 单元模拟热流体_结构交互的示范性过程的流程图；以及图6是计算机设备的主要组件的功能框图，本专利技术的实施例可在 该计算机设备中 实施。具体实施例方式为了便于描述本专利技术，必须要提供一些术语的定义，这些术语将会在本申请中通 篇使用。应注意的是，以下的定义是为了便于理解和描述根据实施例的本专利技术。这些定义 可能看起来包括与该实施例相关的限制条件，但是本
的人员理解，这些术语的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在有限元分析中使用时间推进的热流体－结构交互模拟设计结构的方法，其特征在于，包括：在其上安装有有限元分析应用模块的计算机内，接收总体流流体和路径定义，该路径定义包括所述结构中的一个或多个流动路径；在计算机中定义沿着每个流动路径的多个塞流，所述多个塞流由至少第一总体流流体单元和第二总体流流体单元表示，其中所述第一和第二总体流流体单元均包括与对应的一个塞流相关的一组热交互特征，且所述第一总体流流体单元和第二总体流流体单元在所述每个流动路径的流动方向上彼此连接；以及根据通过在多个求解周期进行的结构的时间推进热流体－结构交互模拟得到的有限元分析结果，生成期望的结构配置，其中所述有限元分析的结果包括在每一求解周期从所述第一和第二总体流流体单元每一者处的第一热交互得到的效果以及从第一总体流流体单元和第二总体流流体单元之间的第二热交互得到的效果。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚瑟B夏皮罗，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]