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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine rechnergestützte technische
Analyse, insbesondere auf Verfahren und Systeme der technischen
Analyse unter Verwendung eines hybriden Ansatzes, der ein Finite-Elemente-Verfahren (finite
element method, FEM) und eine geglättete Teilchen-Hydrodynamik
(smoothed particle hydrodynamics, SPH) einschließt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Kontinuummechanik ist für
das Simulieren kontinuierlicher Dinge, wie von Festkörpern und Fluiden
(das sind Flüssigkeiten
und Gase), verwendet worden. Differentialgleichungen werden bei
dem Lösen
von Problemen in der Kontinuummechanik verwendet. Viele numerische
Verfahren sind verwendet worden. Eines der populärsten Verfahren ist die Finite-Elemente-Analyse
(FEA), bei der es sich um ein computerisiertes Verfahren handelt,
das in der Industrie verbreitet verwendet wird, um technische Probleme,
die sich auf komplexe Systeme wie eine dreidimensionale, nichtlineare
Konstruktion und Analyse beziehen, zu modellieren und zu lösen. Die
FEA leitet ihren Namen von der Art und Weise ab, in der die Geometrie
des betrachteten Objekts spezifiziert wird. Mit dem Aufkommen des
modernen Digitalcomputers ist die FEA als FEA-Software implementiert
worden. Im Grund wird die FEA-Software mit einem gitterbasierten
Modell der geometrischen Beschreibung und der zugehörigen Materialeigenschaften
an jedem Punkt im Modell versehen. In diesem Modell wird die Geometrie
des zu analysierenden Systems durch Körper, Schalen und Stäbe verschiedener
Größen, die
als Elemente bezeichnet werden, dargestellt. Die Ecken der Elemente
werden als Knoten bezeichnet. Das Model besteht aus einer endlichen
Anzahl von Elementen, denen ein Materialname zugewiesen wird, um
eine Zuordnung mit Materialeigenschaften zu erhalten. Das Modell
stellt somit den physikalischen Raum dar, der vom zu analysierenden
Objekt belegt wird, zusammen mit seiner direkten Umgebung. Die FEA-Software bezieht
sich dann auf eine Tabelle, in welcher die Eigenschaften (die die
Spannung-Dehnung darstellende Gleichung, das Elastizitätsmodul,
Poissonsche Zahl, thermische Leitfähigkeit) jedes Materialtyps
tabellarisch aufgeführt
sind. Zusätzlich
sind die Bedingungen an der Grenze des Objekts (Belastungen, physikalische
Randbedingungen etc.) spezifiziert. Auf diese Weise wird ein Modell des
Objekts und seiner Umgebung geschaffen.
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Wenn
das Modell definiert ist, kann die FEA-Software eine Simulation
des physikalischen Verhaltens unter einer spezifizierten Belastung
oder spezifizierten Anfangsbedingungen ausführen. Die FEA-Software wird
extensiv in der Automobilindustrie verwendet, um frontale und seitliche
Aufprallvorgänge
von Automobilen, Passagierdummies, die mit Airbags interagieren,
und das Ausbilden von Karosserieteilen aus Metallblech zu simulieren.
Solche Simulationen liefern wertvolle Einblicke an die Ingenieure, die
fähig sind,
die Sicherheit von Automobilen zu verbessern und neue Modelle schneller
auf den Markt zu bringen. Die Simulation wird im allgemeinen im
Zeitbereich ausgeführt,
was bedeutet, dass die FEA in vielen Lösungszyklen, beginnend von
einem anfänglichen
Lösungszyklus,
berechnet wird, wobei bei jedem nachfolgenden Lösungszyklus die Simulationszeit
um einen Zeitschritt, der als ΔT
bezeichnet wird, erhöht
wird.
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Körperelemente
werden typischerweise für das
Modellieren dicker Teile oder von Festkörpern verwendet. In drei Dimensionen
kann das Körperelement
als ein Klotz oder ein Hexaeder geformt sein. Das Klotzelement niedrigster
Ordnung hat einen Knoten an jeder Ecke und wird somit als ein 8-Knoten-Klotz
oder als sechsflächiges
Element bezeichnet. Die kompatiblen Belastungs- und Verformungsfelder
haben lineare Terme innerhalb des Elementbereichs. Es gibt andere
Typen von Körperelementen, wie
ein fünfflächiges Element
mit 6 Knoten.
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Eine
der anspruchsvollsten FEA-Aufgaben besteht darin, ein Aufprallereignis,
das einen Strukturbruch umfasst, zu simulieren. Da die modernen Computer
besser werden, wünschen
die Ingenieure nicht nur, das Verhalten bei einem Aufprallereignis mit
einem strukturellen Versagen oder einem Bruch zu simulieren, sondern
sie wünschen
auch die Trümmer
zu simulieren, die sich auf dem Aufprall ergeben. Die Trümmer können jedoch
nicht unter Lösung
eines Problems der Kontinuummechanik unter Verwendung einer FEA
behandelt werden.
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Ein
anderes Problem bei der FEA ist die Anpassungsfähigkeit. Um eine genauere Simulation
zu erhalten, ist es vorteilhaft, das FEM-Gittermodell um die interessierende
Region (beispielsweise die Kontaktregion bei einem Aufprallereignis)
zu verfeinern. Eine Adaptionsfähigkeit
kann jedoch bei der FEA nicht leicht ausgeführt werden.
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Unter
Berücksichtigung
der vorangehenden Nachteile, Probleme und Beschränkungen des Stands der Technik
würde es
wünschenswert
sein, verbesserte Verfahren und Systeme zu haben, um eine technische
Analyse auszuführen,
die ein Aufprallereignis mit einem strukturellen Versagen oder Bruch,
einschließlich
der sich ergebenden Trümmer, simulieren
kann.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieser
Abschnitt dient dazu, einige Aspekte der vorliegenden Erfindung
zusammenzufassen und um einige bevorzugte Ausführungsformen kurz einzuführen. Vereinfachungen
und Auslassungen werden in diesem Abschnitt als auch in der Zusammenfassung
und dem Titel vorgenommen, um ein Verhüllen des Zwecks dieses Abschnitts
zu verhindern. Solche Vereinfachungen oder Auslassungen sollen den Umfang
der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart Systeme und Verfahren der rechnergestützten technischen Analyse
unter Verwendung eines hybriden Ansatzes des Finite-Elemente-Verfahrens (FEM)
und der adaptiven geglätteten
Teilchenhydrodynamik (SPH). Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine rechnergestützte technische
Analyse ausgeführt,
um ein Aufprallereignis zwischen zwei oder mehr Objekten (beispielsweise
Strukturen) zu simulieren. Ein FEM-Modell (das ist ein gitter-basiertes Modell)
wird geschaffen, um die Struktur unter Verwendung einer Vielzahl
von Körperelementen,
die die Geometrie und die Materialeigenschaften darstellen, darzustellen.
Wenn ein Kontakt zwischen zwei Strukturen durch das Aufprallereignis
zu einem Materialversagen oder mechanischen Versagen gemäß einer vordefinierten
Materialzustandsgleichung führt,
werden Körperelemente,
die den versagenden Teil der Struktur darstellen, entfernt. Jedes
versagende Körperelement
wird dann durch eine Vielzahl von Teilchen ersetzt, die unter Verwendung
der SPH-Analyse zu analysieren sind. Die Teilchen, die das versagende
Element ersetzen, erben alle Zustände und Eigenschaften des versagenden
Elements, wie Ort, Masse, Geschwindigkeit, Beschleunigung etc. Die Ersetzung
wird gemäß den Prinzipien
der Erhaltung der Masse, des Moments und der Energie ausgeführt. Es
gibt eine Anzahl adaptiver SPH-Unterteilungsschemata,
um jedes der versagenden Elemente in eine Vielzahl von Teilchen
umzuwandeln, beispielsweise eins in zwei, eins in vier, eins in
sechs, eins in acht oder mehr.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird eine SPH-Analyse für eine Gruppe von Teilchen
ausgeführt,
die sich aus einer Umwandlung von versagenden Körperelementen in der FEM-Analyse
ergeben. Die SPH-Analyse ist ein Berechnungsverfahren, das für das Simulieren
von Fluidflüssen
verwendet wird. Die SPH ist jedoch in vielen Gebieten, wie der Astrophysik,
der Ballistik, der Vulkanologie und der Tsunami-Forschung verwendet
worden. Die SPH funktioniert durch das Aufteilen oder Unterteilen
des Feldes (beispielsweise Fluid, Struktur etc.) in eine Gruppe von
Teilchen. Jedes der Teilchen umfasst eine räumliche Distanz, die als Glättlänge bezeichnet
wird, die einen Bereich des Einflusses bestimmt (beispielsweise
ein kreisförmiges
Gebiet mit einem Radius der ”Glättlänge”). Eine
Kernelfunktion wird für
alle Teilchen im Bereich des Einflusses berechnet. Eine Adaption
kann bei der SPH relativ leicht erzielt werden, da es keine Gitter-
oder Mascheneinschränkungen gibt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur technischen Analyse
unter Verwendung eines hybriden Ansatzes eines Finite-Elemente-Verfahrens (FEM)
und einer geglätteten
Teilchen-Hydrodynamik (SPH) dar, wobei das Verfahren umfasst: (a)
Definieren eines FEM-Gittermodells, das eine Vielzahl von Strukturen
bei einem Aufprallereignis darstellt, wobei das FEM-Gittermodell
eine Vielzahl von Körperelementen
einschließt;
(b) Definieren einer Gruppe von ersten Teilchen, die Trümmer darstellen,
die sich aus dem Aufprallereignis ergeben, wobei die Gruppe der
ersten Teilchen zu Beginn leer ist; (c) Starten einer Zeitbereichssimulation
der technischen Analyse des Aufprallereignisses unter Verwendung
des FEM in einem anfänglichen
Lösungszyklus;
(d) Bestimmen, ob es mindestens ein Körperelement gibt, das im FEM versagt
hat, gemäß einem
Satz von Kriterien mechanischen Versagens; (e) Umwandeln von jedem
des mindestens einen versagenden Körperelements in eine Vielzahl
zweiter Teilchen, die Zustände
von jedem des mindestens einen versagenden Körperelements erben, und Vermischen
der Vielzahl von zweiten Teilchen mit der Gruppe der ersten Teilchen, wenn
dies erforderlich ist; (f) Inkrementieren der Zeit in der Zeitbereichssimulation
zu einem nächsten
Lösungszyklus;
(g) Ausführen
der technischen Analyse der nicht leeren Gruppe der ersten Teilchen
unter Verwendung der adaptiven SPH und Ausführen der technischen Analyse
des FEM-Gittermodells mit den verbleibenden Elementen unter Verwendung
des FEM im nächsten
Lösungszyklus;
und (h) Wiederholen von (d)–(g),
bis die Zeitbereichssimulation endet.
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Das
Verfahren umfasst ferner das Unterteilen von jedem des mindestens
einem versagenden Körperelements
in eine Vielzahl von Teilen gemäß einer
adaptiven Regel, wobei jedes aus der Vielzahl der zweiten Teilchen
dem jeweils einen aus der Vielzahl der Teile entspricht, und das
Aufrechthalten der Konservierung der Masse, des Moments und der
Energie zwischen jedem des mindestens einen versagenden Körperelements
und der Vielzahl der zweiten Teilchen.
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Eine
der Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine realistischere Zeitbereichssimulation einer technischen Analyse
eines Aufprallereignisses, das zu Trümmern führt, zu erlauben. Andere Aufgaben,
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das
Untersuchen der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform
in Verbindung mit den angefügten
Zeichnungen deutlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Hinblick auf die folgende Beschreibung, die angefügten Ansprüche und
die Zeichnungen besser verständlich.
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Die 1A–1C sind
eine Serie von Diagrammen, die ein Aufprallereignis zwischen einem Projektil
und einer Struktur mit einer flachen Oberfläche zeigen;
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Die 2A–2B sind
Diagramme, die zwei beispielhafte Spannungs-Dehnungskurven zeigen,
die als Versagenskriterien gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
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Die 3A–3G sind
verschiedene Diagramme, die verschiedene beispielhafte Mittel zeigen,
um ein versagendes Element in eine Vielzahl von Teilchen umzuwandeln,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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Die 4A–4C sind
eine Sequenz von Diagrammen, die das Aufprallereignis unter Verwendung
eines hybriden Ansatzes mit einem Finite-Elemente-Verfahren (FEM)
und einer adaptiven geglätteten
Teilchenhydrodynamik (SPH) gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen;
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5 ist
ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes computerimplementiertes
Verfahren der Ausführung
einer technischen Analyse eines Aufprallereignisses unter Verwendung
eines hybriden Ansatzes eines FEM und einer adaptiven SPH gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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6 ist
ein Funktionsdiagramm, das herausragende Komponenten einer Rechenvorrichtung zeigt,
in welcher eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In
der folgenden Beschreibung werden viele spezifische Details angegeben,
um ein tiefes Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für Fachleute wird es jedoch offensichtlich
sein, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details
in die Praxis umgesetzt werden kann. Die Beschreibungen und Darstellungen
hier stellen die üblichen
Mittel dar, die von erfahrenen Personen oder Fachleuten verwendet
werden, um die Substanz ihrer Arbeit anderen Fachleuten mitzuteilen.
In anderen Fällen
sind wohl bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen
nicht im Detail beschrieben worden, um ein unnötiges Verbergen von Aspekten
der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
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Eine
Bezugnahme auf ”eine
einzige Ausführungsform” oder ”eine Ausführungsform” bedeutet hier,
dass ein spezielles Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft,
die in Verbindung mit der Ausführungsform
beschrieben ist, in mindestens eine Ausführungsform der Erfindung eingeschlossen
werden kann. Das Auftauchen des Ausdrucks ”in einer Ausführungsform” an verschiedenen
Plätzen
in der Beschreibung bezieht sich nicht notwendigerweise immer auf
dieselbe Ausführungsform,
noch schließen getrennte
oder alternative Ausführungsformen
andere Ausführungsformen
aus. Weiterhin gibt die Reihenfolge der Blöcke und Flussdiagramme oder
Diagramme, die eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung
darstellen, nicht inhärent
irgend eine spezielle Reihenfolge an noch impliziert sie irgendwelche
Beschränkungen
bei der Erfindung.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden hier unter Bezug auf die 1A–6 diskutiert.
Fachleute werden jedoch leicht erkennen, dass die hier in Bezug
auf diese Figuren gegebene detaillierte Beschreibung nur zur Erläuterung
dient, da sich die Erfindung über
diese begrenzten Ausführungsformen
hinaus erstreckt.
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Die 1A–1C zeigen
eine Sequenz eines beispielhaften Aufprallereignisses zwischen einem
Projektil 110 und einer Struktur 120 mit einer
flachen Oberfläche.
Das Projektil 110 hat eine Masse und eine Geschwindigkeit 111, die
in 6 zu Beginn zur Zeit T0 gezeigt
sind. Das Projektil 110 bewegt sich auf die Struktur 120 zu,
die ihre eigene Materialeigenschaften besitzt (beispielsweise Stahl,
Beton, etc.). Das Projektil 110 und die Struktur 120 werden
durch Gittermodelle des Finite-Elemente-Verfahrens (FEM) dargestellt.
Aus Gründen
der Einfachheit ist das FEM-Modell für das Projektil 110 als
zweidimensional gezeigt, während
die Struktur 120 dreidimensional gezeigt ist. In der Wirklichkeit
sind beide Modelle dreidimensional und können mit einer unterschiedlichen
Anzahl von Körperelementen
(beispielsweise sechsflächigen
Elementen) erzeugt werden. Als nächstes
stellt, wie das in 1B gezeigt ist, das Projektil 110 einen
anfänglichen
Kontakt mit der Struktur 120 am Ort 115 auf der
flachen Oberfläche nach
einer späteren
Zeit T1 gegenüber der anfänglichen Position her. Schließlich ist
das Projektil 110 zur Zeit T2 in
die Struktur 120 eingedrungen, wie das in 1C gezeigt
ist. Das Aufprallgebiet 125 mit entfernten Körperelementen
stellt das strukturelle Versagen der Struktur 120 durch
den Aufprall vom Projektil 110 dar. Das beispielhafte Aufprallelement,
wie es hier gezeigt und beschrieben ist, kann durch ein computerimplementiertes
Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung simuliert werden. Der Vorteil besteht
darin, das strukturelle Verhalten des Aufpralls vorherzusagen, ohne
tatsächlich
einen physikalischen Test auszuführen,
der nicht nur kostspielig ist, sondern dessen genaue Durchführung auch
sehr schwierig ist.
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Das
strukturelle Versagen ist von Ingenieuren und Materialwissenschaftlern
während
vieler Jahre studiert worden. Ein Verfahren, um das Materialverhalten
zu klassifizieren, besteht darin, einen Zugtest einer Materialprobe,
beispielsweise einer länglichen
zylindrischen Probe, auszuführen.
Der Zug wird entlang der Längsachse
der Probe aufgebracht. Das Ergebnis eines solchen Tests ist eine Spannungs-Dehnungskurve,
die die Beziehung zwischen der Spannung, die vom Messen der auf
die Probe aufgebrachten Belastung abgeleitet wird, und der Dehnung,
die von der Verformung der Probe, beispielsweise der Dehnung, abgeleitet
wird, zeigt. Der Test kann auch mit einer andere Belastung, wie
einer Komprimierung oder einer Verdrehung ausgeführt werden.
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Die 2A und 2B zeigen
beispielhafte erste 200 und zweite 250 Spannungs-Dehnungskurven,
die für
das Bestimmen eines Materialversagens in einer Struktur verwendet
werden können,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die erste Spannungs-Dehnungskurve 200 ist
für ein plastisch
verformbares Material, wie Stahl, angegeben. Die erste Kurve 200 hat
eine vertikale Achse, die die Spannung 202 darstellt, und
eine horizontale Achse 204, die die Dehnung darstellt.
Das Material besitzt zwei Verhaltensweisen: die elastische Region 206 und
die plastische Region 208. Die plastische Region 208 ist
weiter in drei Kategorien unterteilt: Verformung 224, Kaltverfestigung 226 und
Einschnürung 228.
Am oberen Ende der elastischen Region der ersten Kurve 200 befindet
sich ein Verformungspunkt 214, dem die Verformungsspannung
entspricht. Die ultimative Spannung entspricht dem ultimativen Festigkeitspunkt 216,
während
die Bruchspannung oder Versagensspannung dem Bruchort 218 entspricht.
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material als versagendes
Material (das ist eine versagende Struktur) betrachtet, wenn das
Material die Bruchspannung mit einer numerischen Berechnung in einer
Simulation der technischen Analyse erfahren hat.
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Die
zweite Spannungs-Dehnungskurve 250 zeigt ein sehr verschiedenes
Materialverhalten, wenn man es mit dem der ersten Kurve 200 vergleicht.
Ein typisches Materialverhalten, das in der zweiten Kurve 250 gezeigt
ist, ist das eines hyperelastischen Materials, wie Gummi oder Schaum.
Es kann sein, dass ein solches Material nur eine elastische Region 256 besitzt,
und die ultimative Festigkeit 266 und der Bruchpunkt 268 können dieselben
sein. Da die Materialeigenschaften durch eine numerische Beziehung zwischen
einer Spannung 202 und einer Dehnung 204 dargestellt
werden können,
ist eine solche Beziehung als eine Zustandsgleichung (constitutive
equation) in einem computerimplementierten Verfahren, das durch
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, definiert. Beispielsweise
werden, wenn ein strukturelles Versagen während einer Simulation im Zeitbereich
unter Verwendung eines FEM einmal bestimmt wurde, Elemente, die
die versagende Struktur darstellen, entfernt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Trümmer, die sich aus dem Aufprall ergeben,
(das sind entfernte Elemente) durch Teilchen dargestellt, die durch
eine geglättete
Teilchen-Hydrodynamik (SPH) zu berechnen sind. Die 3A–3G zeigen
verschiedene beispielhafte Schemata, um ein versagendes sechsflächiges Element 310 (beispielsweise
ein 8-Knoten-Körper)
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufzuteilen. In 3A wird
das versagende Element 310 diagonal in zwei Prismen 312 aufgeteilt. Jedes
der beiden Prismen 312 wird in zwei Teilchen 314 umgewandelt,
die in einer Aufsicht 313 gezeigt sind. Die Teilchen 314 erben
Zustände
des versagenden Elements 310, beispielsweise den Ort, die
Masse, das Moment und die Energie. Es kann eine Anzahl von Wegen
geben, um Orte auszuwählen,
die in einschränkender
Weise das Massezentrum, die Schwerkraft, die Geometrie, den Integrationspunkt einschließen. Mit
anderen Worten, Prinzipien des Erhaltens der Masse, des Moments
und der Energie werden bewahrt, wenn jedes versagende Element in eine
Vielzahl von Teilchen umgewandelt wird.
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Ein
alternatives Aufteilungsschema ist in 3B gezeigt,
wobei das versagende Element 310 in zwei Hexaeder 322 untereilt
wird, von denen jeder in ein Teilchen 324 umgewandelt wird.
Gemäß anderen
Ausführungsformen
kann das versagende Element 310 auch in vier Teilchen 334–344 unterteilt werden,
wie das in den 3C und 3D gezeigt ist,
oder in acht Teilchen, wie das in den 3E und 3F gezeigt
ist. Gemäß einer
nochmals anderen Ausführungsform,
die in 3G gezeigt ist, wird das versagende
Element 310 in sechs Tetraeder 352 unterteilt,
die dann in sechs Teilchen 354 (nur drei sind gezeigt)
umgewandelt werden. Es sei angemerkt, dass es viele Möglichkeiten
für das
Unterteilen eines einzelnen sechsflächigen Elements gibt. In Abhängigkeit
von den Anforderungen der technische Analyse kann irgend eines der
verschiedenen Unterteilungsschemata verwendet werden. Beispielsweise kann
es sein, dass das Simulieren eines zerschmetterten Glases mehr Teilchen
erfordert, um ein versagendes Element zu ersetzen, als das Simulieren
einer Kugel, die in einen Stahlblock einschlägt. Die Unterteilungsschemata,
die in den 3A–3G gezeigt
sind, werden als Schemata einer geglätteten Teilchen-Hydrodynamik (SPH)
bezeichnet.
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Die 4A–4C sind
Diagramme, die das Aufprallereignis zeigen (beispielsweise das Ereignis,
das in den 1A–1C) gezeigt
ist, unter Verwendung eines beispielhaften hybriden Ansatzes mit
dem Finite-Elemente-Verfahren
(FEM) und der geglätteten
Teilchen-Hydrodynamik (SPH), gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 4A zeigt
ein Projektil 410, das sich in Kontakt mit einer Struktur 420 befindet,
die durch ein FEM-Gittermodell
von 25 Körperelementen
dargestellt wird. Um ein mechanisches Versagen durch einen Aufprall
zu simulieren, werden vier 425 der 25 Elemente im Kontaktgebiet
durch acht Teilchen 444 ersetzt, zwei Teilchen pro versagendem
Element. Jedes der Teilchen hat eine Masse und eine Geschwindigkeit,
so dass die Prinzipien der Bewahrung der Masse, des Impulses und
der Energie erfüllt
sind. Die 4B und 4C zeigen
Ansichten eines Aufprallereignisses zu einer späteren Zeit.
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5 ist
ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 500 des
Ausführens
einer technischen Analyse eines Aufprallelements unter Verwendung
eines hybriden Ansatzes aus FEM und adaptiver SPH gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren 500 kann
in Software, Hardware oder einer Kombination aus beidem implementiert
werden. Das Verfahren 500 wird am besten mit den vorhergehenden
Figuren verständlich.
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Das
Verfahren 500 startet durch das Definieren eines FEM-Gittermodells
unter Verwendung einer Vielzahl von finiten Körperelementen (beispielsweise
sechsflächige
8-Knoten-Elemente),
die Strukturen in einer Simulation im Zeitbereich der technischen
Analyse eines Aufprallereignisses bei 502 darstellen (beispielsweise
das FEM-Modell des Projektils 410 und der Struktur 420 in 4A).
Als nächstes startet
bei 504 die Simulation im Zeitbereich unter Verwendung
des FEM auf dem FEM-Gittermodell am Beginn oder zur Zeit (T) = 0.
Das Verfahren 500 geht dann zu einer Entscheidung 506,
in welcher bestimmt wird, ob es irgend ein mechanisches Versagen
oder Materialversagen im aktuellen Lösungszyklus gibt. In einer
Ausführungsform
wird das mechanische Versagen oder Materialversagen Element um Element
gemäß der Zustandsgleichung,
die im FEM-Modell definiert ist, geprüft. Wenn ”Ja”, so wandelt das Verfahren 500 bei 508 jedes
versagende Element in eine Vielzahl von Teilchen auf der Basis eines
der adaptiven SPH-Schemata, die in den 3A–3G gezeigt
sind, um, und die neu umgewandelten Teilchen werden mit einer Gruppe
von existierenden Teilchen, sofern es solche gibt, vermischt oder
zu ihr addiert. Ansonsten, wenn ”nein”, so übergeht das Verfahren 500 den
Schritt 508.
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Als
nächstes
wird bei 510 die Simulationszeit um ein Zeitinkrement oder
einen Zeitschritt ΔT
für den
nächsten
Lösungszyklus
der Simulation im Zeitbereich inkrementiert. Das Verfahren 500 bestimmt dann,
ob die aktuelle Zeit das Ende der Simulation im Zeitbereich erreicht
hat, beispielsweise wird die aktuelle Zeit gegen die Gesamtsimulationszeit
Ttotal, die vorbestimmt ist, geprüft. Wenn
das Ergebnis 'nein' ist, führt das
Verfahren 500 bei 514 SPH-Berechnungen für die Gruppe
der Teilchen aus, die aus den versagenden Elementen umgewandelt
wurden, wenn sich zumindest ein Teilchen in der Gruppe befindet. Als
nächstes
führt das Verfahren 500 eine
FEM-Analyse des FEM-Gittermodells mit den verbleibenden Elementen
in 516 aus. Dann geht das Verfahren 500 zurück zur Entscheidung 506,
um die hier für
jeden Lösungszyklus
beschriebenen Schritte zu wiederholen, bis das Ergebnis der Entscheidung 512 'ja' lautet. Das Verfahren 500 endet.
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein oder mehrere Computersysteme
gerichtet, die die hier beschriebene Funktion ausführen können. Ein
Beispiel eines Computersystems 600 ist in 6 gezeigt.
Das Computersystem 600 umfasst einen oder mehrere Prozessoren,
wie den Prozessor 604. Der Prozessor 604 ist mit
einem internen Kommunikationsbus 602 des Computersystems
verbunden. Verschiedene Softwareausführungsformen werden in Begriffen
dieses beispielhaften Computersystems beschrieben. Nach dem Lesen
dieser Beschreibung wird es für
einen Fachmann des relevanten Stands der Technik deutlich, wie die
Erfindung unter Verwendung anderer Computersysteme und/oder Computerarchitekturen
implementiert werden kann.
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Das
Computersystem 600 umfasst auch einen Hauptspeicher 608,
vorzugsweise einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), und es
kann auch einen Sekundärspeicher 610 umfassen.
Der Sekundärspeicher 610 kann
beispielsweise ein oder mehrere Festplattenlaufwerke 612 und/oder
ein oder mehrere entfernbare Speicherlaufwerke 614, die
ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk und ein optisches
Plattenlaufwerk darstellen, einschließen. Die entfernbare Speichervorrichtung 614 liest
von einer entfernbaren Speichereinheit 618 und/oder schreibt
auf diese in einer wohl bekannten Art. Die entfernbare Speichereinheit 618 stellt
eine Diskette, ein Magnetband, eine optische Scheibe, etc., dar,
die vom entfernbaren Speicherlaufwerk 614 gelesen und auf
die von diesem geschrieben werden kann. Wie man erkennen wird, umfasst
die entfernbare Speichereinheit 618 ein vom Computer verwendbares Speichermedium,
das eine Computersoftware und/oder Daten, die darauf gespeichert
sind, aufweist.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann der Sekundärspeicher 610 andere ähnliche
Mittel einschließen,
um es zu ermöglichen,
dass Computerprogramme oder andere Instruktionen in das Computersystem 600 geladen
werden. Solche Mittel können beispielsweise
eine entfernbare Speichereinheit 622 und eine Schnittstelle 620 einschließen. Beispiele solcher
können
eine Programmkassette und eine Kassettenschnittstelle (wie man sie
in Videospielvorrichtungen findet), einen entfernbaren Speicherchip (wie
einen löschbaren,
programmierbaren Nur-Lese-Speicher
(EPROM), einen Flash-Speicher eines universellen seriellen Busses
(USB) oder einen PROM) und eine zugehörige Buchse, und andere entfernbare
Speichereinheiten 622 und Schnittstellen 620,
die es erlauben, dass Software und Daten von der entfernbaren Speichereinheit 622 zum
Computersystem 600 übertragen
werden, umfassen. Im allgemeinen wird das Computersystem 600 durch
eine Betriebssystemsoftware (OS) gesteuert und koordiniert, die
Aufgaben wie eine Prozesssteuerung, eine Speicherverwaltung, ein
Vernetzen und E/A-Dienste ausführt.
Beispielhafte OS umfassen Linux® und
Microsoft Windows.
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Es
kann auch eine Kommunikationsschnittstelle 624 vorhanden
sein, die mit dem Bus 602 verbunden ist. Die Kommunikationsschnittstelle 624 erlaubt
es, dass Software und Daten zwischen dem Computersystem 600 und
externen Vorrichtungen übertragen
werden. Beispiele der Kommunikationsschnittstelle 624 können ein
Modem, eine Netzschnittstelle (wie eine Ethernet-Karte), einen Kommunikationsanschluss,
einen PCMCIA-Schlitz (Personal Computer Memory Card International
Association) etc. einschließen.
Software und Daten, die über die
Kommunikationsschnittstelle 624 übertragen werden, liegen in
der Form von Signalen 628 vor, bei denen es sich um elektronische,
elektromagnetische, optische oder andere Signale handeln kann, die durch
die Kommunikationsschnittstelle 624 empfangen werden können. Diese
Signale 628 werden der Kommunikationsschnittstelle 624 über einen
Kommunikationspfad (das ist ein Kanal) 626 geliefert. Dieser
Kanal 626 befördert
Signale (oder Datenflüsse) 628 und
kann unter Verwendung eines Drahtes oder Kabels, von Glasfasern,
einer Telefonleitung, einer zellularen Telefonverbindung, einer
RF-Verbindung, einer drahtlosen Bluetooth®-Verbindung
und anderen Kommunikationskanälen
implementiert werden.
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Der
Kanal erleichtert einen Datenfluss 628 zwischen einem Datennetz
und dem Computer 600 und führt typischerweise einen speziellen
Satz von Regeln (das ist ein Protokoll) aus, um Daten vor und zurück zu senden.
Eines der üblichen
Protokolle ist das TCP/IP (Übertragungssteuerprotokoll/Internet-Protokoll),
das üblicherweise
im Internet verwendet wird. Im allgemeinen verwaltet die Kommunikationsschnittstelle 624 das
Zusammenfügen
einer Datei in kleinere Pakete, die über das Datennetz übertragen
werden, oder fügt
die empfangene Pakete zur ursprünglichen
Datei wieder zusammen. Zusätzlich handhabt
die Kommunikationsschnittstelle 624 den Adressenteil jedes
Pakets, so dass es zum rechten Ziel gelangt, und fängt Pakete
ab, die für
den Computer 600 bestimmt sind.
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In
diesem Dokument werden die Ausdrücke ”Computerprogrammmedium” und ”von einem
Computer verwendbares Medium” verwendet,
um sich allgemein auf Medien, wie das entfernbare Speicherlaufwerk 614,
eine Festplatte, die in einem Festplattenlaufwerk 612 installiert
ist, zu beziehen. Diese Computerprogrammprodukte sind Mittel, um
dem Computersystem 600 Software zu liefern. Die Erfindung
ist auf solche Computerprogrammprodukte gerichtet.
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Das
Computersystem 600 kann auch eine Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Schnittstelle 630 einschließen, um
dem Computersystem 600 zu ermöglichen, auf einen Monitor,
eine Tastatur, eine Maus, einen Drucker, einen Scanner, einen Plotter
und dergleichen zuzugreifen.
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Computerprogramme
(die auch als Computersteuerlogik bezeichnet werden) sind als Anwendungsmodule 606 im
Hauptspeicher 608 und/oder im Sekundärspeicher 610 gespeichert.
Computerprogramme können
auch über
eine Kommunikationsschnittstelle 624 empfangen werden.
Solche Computerprogramme ermöglichen
es dem Computersystem 600, wenn sie ausgeführt werden,
die Funktionen der vorliegenden Erfindung, wie sie hier diskutiert
wurden, auszuführen.
Somit stellen solche Computerprogramme Steuerungen des Computersystems 600 dar.
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In
einer Ausführungsform,
bei der die Erfindung unter Verwendung von Software implementiert ist,
kann die Software in einem Computerprogrammprodukt gespeichert und
unter Verwendung des entfernbaren Speicherlaufwerks 614,
des Festplattenlaufwerks 612 oder der Kommunikationsschnittstelle 624 in
das Computersystem 600 geladen werden. Das Anwendungsmodul 606 veranlasst,
wenn es durch den Prozessor 604 ausgeführt wird, den Prozessor 604,
die Funktionen der Erfindung, wie sie hier beschrieben sind, auszuführen.
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Der
Hauptspeicher 608 kann mit einem oder mehreren Anwendungsmodulen 606 geladen
werden, die durch einen oder mehrere Prozessoren 604 mit
oder ohne eine Benutzereingabe durch die E/A-Schnittstelle 630 ausgeführt werden,
um die gewünschten
Aufgaben zu lösen.
Im Betrieb werden, wenn mindestens ein Prozessor 604 eines
der Anwendungsmodule 606 ausführt, die Ergebnisse berechnet
und im Sekundärspeicher 610 (das
ist das Festplattenlaufwerk 612) gespeichert. Der Status
der FEM-Analyse oder der SPH-Analyse wird dem Benutzer über die
E/A-Schnittstelle 630 entweder als Text oder in einer graphischen
Darstellung mitgeteilt.
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In
einer Ausführungsform
ist ein erstes Anwendungsmodul 606 konfiguriert, um die
FEM-Analyse auszuführen,
währen
ein zweites Anwendungsmodul 606 für die SHP-Analyse dient. Ein
drittes Anwendungsmodul 606 ist für die Bestimmung des mechanischen
Versagens oder des Materialversagens und für das Umwandeln jedes versagenden
Elements in eine Vielzahl von Teilchen, damit diese durch die SPH
analysiert werden, konfiguriert.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen
beschrieben wurde, sind diese Ausführungsformen nur illustrierend
und schränken
die vorliegende Erfindung nicht ein. Verschiedene Modifikationen
oder Änderungen bei
den spezifisch offenbarten beispielhaften Ausführungsformen werden Fachleuten
aufscheinen. Beispielsweise können,
obwohl die beispielhaften finiten Elemente als 8-Knoten-Körper oder
Hexaeder gezeigt und beschrieben wurden, andere Typen von Elementen,
wie Pentaeder oder Heptaeder verwendet werden. Insgesamt sollte
der Umfang der Erfindung nicht auf die hier offenbarten spezifischen
beispielhaften Ausführungsformen
beschränkt
sein, und alle Modifikationen, die Fachleuten leicht aufscheinen
werden, sollten in die Idee und den Rahmen dieser Anmeldung und
den Umfang der angefügten
Ansprüche
eingeschlossen werden.