CN103455651A - 使用有限元分析模型数值模拟具有热影响区的结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用FEA模型对包含HAZ的结构执行数值模拟的方法和系统。在计算机系统中定义和接收FEA模型，该FEA模型至少包括表示焊接结构部分的有限元组。该焊接结构部分包围至少一个HAZ。该有限元组中的每个有限元基于FEA配置成具有至少一个积分点。该有限元组与表示HAZ内外的焊接结构部分的结构行为的HAZ材料特性组相关联。在定义所述HAZ材料特性之后，使用所述每个积分点和所述热源位置（例如点焊线的质心）之间的最短热传播距离、以无需额外输入的自动程序通过插值所述关联的HAZ材料特性组在每个积分点确定和分配对应的数值材料特性。

Description

使用有限元分析模型数值模拟具有热影响区的结构

技术领域

本发明总的涉及计算机辅助工程分析，特别涉及用于执行具有位于热源（如焊接）附近热影响区的结构的数值模拟的方法和系统。

背景技术

计算机辅助工程分析（CAE）已在很多任务中用于支持工程师。例如，在结构或工程产品设计程序中，CAE分析特别是有限元分析（FEA），常常用来预测在不同模拟负荷条件下（例如静态的或者动态的）的结构行为（例如应力、位移等等）。

有限元分析（finite element analysis，FEA）是用计算机处理的方法，在工业中广泛用来对与诸如三维非线性结构设计和分析等复杂产品或系统（例如汽车、飞机、消费产品等）相关的工程问题进行数值模拟（如在计算机系统中建模和求解）。有限元分析的名称源于对所关注的物体的几何特征进行描述的方式。该几何特征由单元和节点定义。已有多种类型的单元、用于体积或闭联集的实体单元、用于表面的壳或板单元（plate element），以及用于一维结构对象的梁或桁架单元。各个单元的几何形状由节点定义，例如砖体形或六面体形元包括八个角节点。

FEA已用于评估汽车防撞性能。使用FEA对撞击事件（如汽车碰撞）进行的数值模拟随着计算机技术的发展得到显著改进。近年来，数值模拟靠近热源（如点焊缝、对接焊缝）的热影响区域（HAZ）中的结构行为备受关注。

热影响区域是材料特性受到高热（例如焊接）改变的区域。例如，使用金属惰性气体焊接将导致HAZ中的材料强度降低。因此，在热源的邻近区域产生弱化线，这将导致潜在的结构缺陷，在碰撞负荷下犹是如此。与基层材料相比，HAZ内的材料特性（例如应力-应变关系）将发生改变。通常，HAZ中的材料特性随着其与热源位置（也就是点焊缝中心）的测量距离而改变。

图1A是焊缝102和周围的HAZ104的截面示意图。未受热影响的基层材料106位于HAZ之外。图1B示出了由点焊缝116连接到一起的两个结构部（也就是板112和114）。HAZ位于每个点焊缝116周围。

图1C是拼焊板（tailor welded blank,TWB）金属片120的平面图。该拼焊板金属片120由通过对接焊缝121（示出为黑色）连接在一起的两个板122和124构成。板122和124不仅具有不同的几何形状，还可以具有不同的厚度。可使用金属冲压法从TWB120制造结构部分。HAZ位于对接焊缝121的两侧。

建模这些影响的现有技术方法已经用于在图2所示的示范性FEA模型中创建环绕焊缝210的数个有限元层212a-212c。每个层相对于其与热源的距离分配有不同的材料特性。在给定的有限元中，每个积分点（integration point）分配有相同的材料特性，即该连续常数不因其与点焊缝中心之间的距离而改变。焊缝210可由梁单元、单个实体单元、实体单元集群、刚性元或加权平均约束元表示。使用约束接触界面将包括焊缝的节点自动约束到焊接部分。上述现有技术的一个问题是需要冗长乏味的输入，其需要用户定义数量众多的材料特性以说明与热源的不同距离，从而使得模型配置（例如靠近热源的单元的大小）很难改变。此外，创建FEA模型是劳动密集型任务，因为车辆包括数千点焊缝。最后，对该配置的任何修改可能需要定义额外的材料特性和分配不同的材料特性给HAZ中的这些被修改的单元。

因此，较为理想的是使用FEA模型对包含HAZ的结构进行有效数值模拟的方法。

发明内容

本发明公开了使用FEA模型对具有至少一个热影响区的结构进行数值模拟的方法和系统。根据本发明的示范性实施例，在其上安装有FEA应用模块的计算机系统中定义和接收FEA模型，该FEA模型至少包括表示焊接结构部分的有限元组。该焊接结构部分包围至少一个HAZ。该有限元组中的每个有限元基于FEA配置成具有至少一个积分点。该有限元组与表示HAZ内外的焊接结构部分的结构行为的HAZ材料特性组相关联。接着使用每个积分点和热源位置（例如点焊缝质心）之间最短的热传播距离、通过插值该相关的HAZ材料特性组确定对应的材料特性并将其分配给每个积分点。接着可使用具有在每个积分点确定的对应数值材料特性的FEA模型，执行该结构的数值模拟。根据本发明的另一方面，FEA模型中涉及HAZ本构模型（constitutive model）的部分是自动发起的，无需另行输入。本发明无需目前工业中使用的复杂的网格技术（例如图2中所示的FEA网格）。

通过结合附图详阅接下来对实施例的详细描述，本发明的其它目标、特征和优点将是显而易见的。

附图说明

参照下列描述、附加的权利要求和附图可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。

图1A是包括热影响区的示范性焊缝及其邻近区域的横截面示意图；

图1B是点焊缝连接到一起的两个示范性结构部分的示意图；

图1C是示范性的拼焊板金属片的平面示意图；

图2是靠近焊缝的示范性有限元分析模型的一部分的平面示意图；

图3是根据本发明实施例的、使用有限元分析（FEA）模型执行具有热影响区（HAZ）的结构的数值模拟的示范性方法的流程图；

图4A-D示出了根据本发明实施例的、可用于表示HAZ内外焊接结构部分的各种示范性有限元；

图5是根据本发明实施例的示范性FEA模型示意图；

图6A是根据本发明实施例的、与表示HAZ内外部分的结构行为的有限元组相关的示范性HAZ材料特性X-Y示意图；

图6B是根据本发明实施例的、表示应力与到热源位置（例如焊缝）的距离的示范性关系的X-Y示意图；

图7A-C是根据本发明一个实施例的、示范性有限元及其积分点和点焊缝之间的空间关系示意图；

图8是示范性的计算机系统的主要部件（salient component）的功能框图，可在其中执行本发明的实施例。

具体实施方式

首先参照图3，示出了根据本发明实施例的、使用有限元分析（FEA）模型对具有热影响区（HAZ）的结构（例如汽车、飞机或其部件）进行数值模拟的示范性方法300的流程图。该方法优选在软件中执行。

该方法300始于步骤302，在此在其上安装有FEA应用模块的计算机系统（例如图8所示的计算机800）中定义和接收有限元分析（FEA）模型。该FEA模型表示结构，且至少包含配置成表示焊接结构部分的有限元组，该焊接结构部分包围至少一个热影响区（HAZ）。

图4A-D示出了可用于在FEA模型内表示焊接结构部分的各个示范性有限元。图4A和4B分别示出了二维四边形薄膜单元402和三维实体单元404。每个单元402-404包含位于这些单元的质心的单个积分点。此外，图4C示出了四边形壳体元412，其包含通过其厚度413偏离其中心的两个积分点（三角形）。图4D中示出了具有四个平面积分点（三角形）的薄膜单元414。基于FEA，可在每个积分点计算该结构的数值模拟的结构行为。因为在HAZ内材料特性变换显著，在每个积分点必须恰当地确定数值材料特性以预测实际结构行为。

已经注意到全积分8节点六面体单元可以具有8个积分点（未示出）。图5是包含表示焊接结构部分502（即上部的第一板）和504（即底部的第二板）的壳体有限元组的示范性FEA模型。第一和第二板由点焊缝503连接，该点焊缝503由HAZ环绕。不同于明确地分配唯一的材料特性给HAZ中的单元，本发明使得用户可以在给定的本构模型内为基层材料指定HAZ材料特性组，该HAZ材料特性组包括在HAZ中的变量。在根据本发明的一个实施例中，在定义HAZ材料特性之后，使用到点焊缝的中心的最短热传播距离在积分点插值材料特性，并以无需额外输入的自动程序将该材料特性分配给积分点（示出为三角形）。与一个壳体有限元的单个材料特性不同，在每个积分点的单元中，材料特性作为到积分点的邻近的最近点焊缝的距离的函数变化。该自动程序可以众所周知的技术，如三维表格查找执行。

回到步骤304，将一组HAZ材料特性与表示焊接结构部分的有限元组关联。例如，焊接结构部分的结构行为可以由图6A中示出的“屈服应力”vs“有效塑性应变”关系表示。示出了两组曲线。第一组曲线611a和611b分别表示在“应变率-1”的HAZ内外的HAZ材料特性。类似地，第二组曲线612a和612b表示在“应变率-2”的HAZ内外的数值特性。为简洁起见，在每个应变率仅示出两个曲线。实际上，可能需要更多的曲线，因为结构行为在HAZ中是显著改变的。图6B中示出了“屈服应力”vs“到焊缝的距离”关系的曲线组。水平轴以升序的方式示出了到热源位置的距离。换句话说，"d₁"更靠近焊缝因此小于"d₂"。此外，该关系是非线性的。最弱位置是位于HAZ的正中而非最靠近焊缝。

在步骤306，在将HAZ材料特性组和有限元组关联之后，使用每个积分点和最近热源位置之间的热传播距离、通过插值该相关的HAZ材料特性组，在每个积分点确定并分配对应的材料特性。图7A和7B是示范性有限元的积分点710a-710b和各个点焊缝702a-702c之间的关系示意图。图7A中示出了在第一积分点710a的热传播距离是介于第一积分点710a和点焊缝702a之间。对于第二积分点710b，距离720b是位于不同点焊缝702b和第二积分点710b之间。可采用多种已知的方法（如线性插值法、指数插值法等等）完成插值。这意味着可将一个以上的材料特性分配给单个有限元以表示不同的结构行为。图7C示出了沿着一表面测量从点焊缝中心732到积分点734的热传播距离740，在此，该点焊缝连接且包括该表面的曲率效应。

此外，每个积分点和一个热源位置之间的热传播距离说明有限元的翘曲，例如某些二维四边形壳体单元的四个节点可能不是共面的。

在步骤308，接着可使用FEA模型、以在各个积分点确定的对应材料特性执行结构的数值模拟，以表示结构行为。

根据一方面，本发明涉及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统800的例子在图8中示出。计算机系统800包括一个或多个处理器，例如处理器804。处理器804连接到计算机系统内部通信总线802。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800还包括主存储器808，优选随机存取存储器（RAM），还可包括辅助存储器810。辅助存储器810包括例如一个或多个硬盘驱动器812和/或一个或多个可移除存储驱动器814，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除存储驱动器814用已知的方式从可移除存储单元818中读取和/或向可移除存储单元818中写入。可移除存储单元818代表可以由可移除存储驱动器814读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元818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810可包括其它类似的装置，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统800。这样的装置包括例如可移动存储单元822和接口820。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）、可移动存储芯片（例如可擦除可编程只读存储器（EPROM））、通用串行总线（USB）闪存、或者PROM）以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元822和允许软件和数据从可移动存储单元822传递到计算机系统800的接口820。通常，计算机系统800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。

可以还设有连接到总线802的通信接口824。通信接口824允许软件和数据在计算机系统800和外部设备之间传递。通信接口824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800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824将数据文件组装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装成原始的数据文件。此外，通信接口824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800的数据包。

在这份文件中，术语“计算机可记录存储媒介”、“计算机可记录媒介”以及“计算机可读媒介”都用来指代媒介，例如可移除存储驱动器814和/或设置在硬盘驱动器812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800的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统800还包括输入/输出（I/O）接口830，它使得计算机系统800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806存储在主存储器808和/或辅助存储器810中。也可通过通信接口824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800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804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800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814、硬盘驱动器812、或者通信接口824加载到计算机系统800中。应用模块806被处理器804执行时，使得处理器804执行如在此所述的本发明的功能。

主存储器808可被加载一个或多个应用模块806，所述应用模块806可被一个或多个处理器804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830输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器804执行一个应用模块806时，结果被计算并存储在辅助存储器810（也就是，硬盘驱动器812）中。有限元分析（例如，汽车抗撞击）的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口报告给用户。

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，虽然在X-Y示意图中的两组“屈服应力”vs“有效塑性应变”曲线示出和描述了数值材料特性，但也可以采用表示数值材料特性的其他等效方法来实现相同的目的，例如存储有反应X-Y示意图中曲线的对应数字的三维查找表。另外，虽然仅示出了并描述了四边形有限元来示范本发明的实施例，但是本发明也可以采用其他类型的有限元（例如三维单元）来实现相同的目的。此外，虽然示出和描述了每个薄膜单元具有四个积分点，但是也可以使用其他数量的积分点，例如穿过壳体单元的厚度的两个积分点。最后，虽然将焊接示出和描述为热源，其他类型的制造过程（如金属板修正或裁切）都可能造成类似的材料损害或退化。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后附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种使用有限元分析（FEA）模型对包含热影响区（HAZ）的结构进行数值模拟的方法，其特征在于，所述方法包括：

在其上安装有FEA应用模块的计算机系统中，接收FEA模型，该FEA模型至少具有配置成表示焊接部分的有限元组，所述焊接部分包围HAZ，所述有限元组中的每个有限元配置成具有用于FEA中的数值积分的至少一个积分点，其中HAZ靠近至少一个热源位置；

将HAZ材料特性组与所述有限元组关联，其中所述HAZ材料特性组表示所述HAZ内外的所述焊接部分的结构行为；

在定义所述HAZ材料特性之后，使用所述每个积分点和该至少一个热源位置之间的最短热传播距离、以无需额外输入的自动程序、通过插值所述关联的HAZ材料特性组在每个积分点确定对应的数值材料特性；以及

在所述计算机系统中，以在所述每个积分点确定的所述对应的数值材料特性、使用所述FEA模型执行所述结构的数值模拟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元组包括所述HAZ内、外的有限元。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有限元组包括二维有限元。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有限元组包括三维有限元。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接部分以至少一个点焊缝接合，且所述至少一个热源位置对应于所述至少一个点焊缝的质心。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接部分由拼焊板金属片制成，且所述至少一个热源位置是所述拼焊板金属片的对接焊缝的中心线。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接部分由金属片坯制成，且所述至少一个热源位置是所述金属片坯的修边线的中心线。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，HAZ材料特性组包括所述焊接部分的、在不同应变率下的屈服应力和有效塑性应变之间的关系。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HAZ内外的所述焊接部分的结构行为是测量的到所述至少一个热源位置的热传播距离的函数。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最短热传播距离说明所述每个积分点和所述至少一个热源位置之间的有限元的翘曲。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元组包括一个以上的积分点，且所述一个以上的积分点中的两个积分点被分配不同的数值材料特性。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最短热传播距离沿一表面测量，在此所述至少一个热源连接且包括所述表面的曲率效应。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自动程序包括使用三维查找表方案，在此所述三维表包含与所述热源位置相距不同距离的所述HAZ材料特性组。

14.一种使用有限元分析（FEA）模型对包含热影响区（HAZ）的结构进行数值模拟的系统，其特征在于，所述系统包括：

主存储器，存储用于有限元分析应用模块的计算机可读代码；

至少一个处理器，耦连所述主存储器，所述至少一个处理器执行所述主存储器中的所述计算机可读代码以使得所述FEA应用模块执行以下操作：

接收FEA模型，所述FEA模型至少具有配置成表示焊接部分的有限元组，所述焊接结构部分包围HAZ，所述有限元组中的每个有限元配置成具有用于FEA中的数值积分的至少一个积分点，其中HAZ靠近至少一个热源位置定位；

将HAZ材料特性组与所述有限元组关联，其中所述HAZ材料特性组表示所述HAZ内外的所述焊接部分的结构行为；

在定义所述HAZ材料特性之后，使用所述每个积分点和该至少一个热源位置之间最短热传播距离、以无需额外输入的自动程序通过插值所述关联的HAZ材料特性组在每个积分点确定对应的数值材料特性；以及

在所述计算机系统中，以在所述每个积分点确定的所述对应的数值材料特性执行所述结构的数值模拟。

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