專利名稱：有限元分析中點焊焊點故障的確定方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)(例如，汽車，飛機)的計算機輔助工程分析，更具體地說，涉及一
種有限元分析中點焊焊點故障的確定方法。
背景技術(shù)：
有限元分析(FEA)是一種計算機實現(xiàn)的方法，在工業(yè)中被廣泛用于建模和解決與 復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的工程問題，例如三維非線性結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。FEA的名字來自以下事實被 考察的物體的幾何形狀是特定的。隨著現(xiàn)代數(shù)字計算機的出現(xiàn)，F(xiàn)EA已經(jīng)作為FEA軟件被實 施?；旧希現(xiàn)EA軟件設(shè)有幾何形狀描述的模型、以及在模型內(nèi)的每個點處的相關(guān)材料特性。 在這個模型中，被分析系統(tǒng)的幾何形狀由不同尺寸的實體(solid)、殼(shell)和梁(beam) 來表示，這些實體、殼和梁被稱為單元。各單元的頂點被稱為節(jié)點(node)。該模型包括有限 數(shù)量的單元，這些單元被賦予與材料特性相關(guān)的材料名。因此該模型代表了被分析物體及 其即刻環(huán)境(immediate surrounding)所占據(jù)的物理空間。然后，F(xiàn)EA軟件涉及一個表格， 每種材料類型的特性被列在該表格中(例如，應(yīng)力_應(yīng)變構(gòu)成等式、楊氏模量、泊松比、導(dǎo)熱 性)。另外，指定了物體的邊界條件(也就是，負荷、物理約束等)。用這種方式生成物體及 其環(huán)境的模型。 FEA越來越受到汽車制造廠商的歡迎，用于優(yōu)化汽車的空氣動力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)整 體性。同樣地，飛機制造廠商依靠FEA在第一個原型被研發(fā)出來之前很久就能預(yù)知飛機的 性能。受歡迎的FEA任務(wù)之一是模擬碰撞事件，例如汽車碰撞。與防撞性模擬有關(guān)的一個 問題是正確地模擬用于連接結(jié)構(gòu)體內(nèi)的兩個部件(例如，鈑金件)的點焊焊點。
點焊接是一種用于焊接各種鈑金件產(chǎn)品的電阻焊接。通常這些鈑金件的厚度在 0. 5-3. 0mm的范圍內(nèi)。這種工藝使用兩個成形的銅合金電極將焊接電流集中到很小的"點" 上，以同時將兩個鈑金件夾在一起。點焊接的一個最普遍的應(yīng)用是汽車制造業(yè)，其中幾乎到 處都采用點焊接來焊接鈑金件以形成汽車。 在典型的汽車中，大約有4000-8000個點焊焊點，用于連接300-600個主體部分， 以形成汽車結(jié)構(gòu)。為了將汽車作為一個整體進行精確的模擬，必須對這些點焊焊點進行精 確模擬。點焊焊點通常間隔2-3厘米，每個點焊焊點的直徑為4-9毫米(mm)。傳統(tǒng)上，在 FEA中采用非常短的梁單元(例如，長度為l-2mm)對每個點焊焊點進行建模。例如，在二十 世紀(jì)九十年代，使用雙節(jié)點剛性件對點焊焊點進行建模，其中要求點焊接部分的節(jié)點位置 位于點焊焊點的物理位置處。這種現(xiàn)有技術(shù)中的方法在創(chuàng)建FEA模型的過程中要求非常多 的工作，因為需要盡力將節(jié)點精確地定位于焊接位置。隨著現(xiàn)代計算機的改進，表示車輛的 有限元模型已經(jīng)變得非常大(例如，尺寸為2-4mm的多于4， 000， 000個單元)。因此，點焊 焊點周圍的單元的尺寸比點焊焊點的直徑小。使用梁單元來表示點焊焊點已經(jīng)不再適當(dāng)， 而采用實體單元來代替。在某些情況下，采用一個以上的實體單元來為點焊焊點建模。此 外，在汽車防撞性模擬中，需要考慮到并確定出點焊焊點故障。已經(jīng)建立了用于確定梁單元 的點焊焊點故障的方法。但是，這種方法與用在實體單元中的傳統(tǒng)材料故障方法相矛盾。
因此，期望能有一種改進的方法，不管采用何種類型的單元來表示點焊焊點，都能 在有限元分析中確定出點焊焊點故障。

發(fā)明內(nèi)容
這部分用于總結(jié)本發(fā)明的某些方面，并簡單介紹某些優(yōu)選實施例?？赡軐@部分、 摘要以及標(biāo)題進行簡化或者省略，以避免本發(fā)明的目的不清楚。這樣的簡化或省略并不用 于限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明公開了一種在結(jié)構(gòu)(例如，汽車)的有限元分析中確定點焊焊點故障的系 統(tǒng)、方法和軟件產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的一方面，結(jié)構(gòu)中的每一個點焊焊點由結(jié)構(gòu)的有限元分析 模型中的至少一個實體單元的集群來表示。每個點焊焊點都用于將兩個零件(例如，鈑金 件)連接在一起。這兩個零件中的每一個通常都表示或建模成多個二維殼單元。由于點焊 焊點和兩個零件之間的連接可位于相應(yīng)零件內(nèi)的任意位置，表示這兩個零件的殼單元不必 在空間上對準(zhǔn)。唯一的要求是，兩個殼單元必須彼此重疊，使得點焊焊點可以將兩個殼單元 (即， 一個殼單元來自于一個零件)連接在一起。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于確定點焊焊點故障的點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)包括作用 于點焊焊點的剪切力和軸向應(yīng)力，殼單元的尺寸和點焊焊點位置敏感比例因子，以及應(yīng)變 率效應(yīng)。此處使用的故障標(biāo)準(zhǔn)用于"插塞破裂(plugrupture)"模式，其中點焊熔核(spot weld nugget)周圍的鈑金件失效或者裂開。 在另一方面，本發(fā)明被配置用于將每個群集當(dāng)作一個整體，即使每個群集可包含 一個以上的實體單元。對于每個群集，可以在每個時間推進模擬的求解周期中，計算出一組 合成的剪切力和軸向應(yīng)力。合成的剪切力和軸向應(yīng)力可使用點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)來檢查。
通過以下結(jié)合附圖對具體實施方式
的詳細描述，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點 將會變得顯而易見。


參照以下的描述、后附的權(quán)利要求和附圖，將會更好地理解本發(fā)明的這些和其它 特征、方面和優(yōu)點，其中 圖1A是用于連接結(jié)構(gòu)中的兩個鈑金件的一組點焊焊點的俯視圖； 圖1B是圖1A中一個點焊焊點的正視圖； 圖2A是圖1A-B中結(jié)構(gòu)的有限元分析模型的俯視圖； 圖2B是點焊焊點相對于一個被連接的殼單元的示范性位置示意圖； 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實施例、有限元分析中的可用于表示點焊焊點的示范性梁
單元的示意圖； 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例、有限元分析中的可用于表示點焊焊點的示 范性實體單元的示意圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的四個不同實體單元集群的俯視圖，每一個都可 用于表示點焊焊點； 圖5A是點焊焊點內(nèi)的交叉張力(cross tension)的示意圖；
圖5B是點焊焊點內(nèi)的剪切力的示意7
圖6A是根據(jù)本發(fā)明的實施例、有限元網(wǎng)格尺寸相對于點焊焊點的交叉張力的X-Y 圖表，該圖表用于確定點焊焊點故障； 圖6B是根據(jù)本發(fā)明的實施例、有限元網(wǎng)格尺寸相對于點焊焊點的剪切力的X-Y圖 表，該圖表用于確定點焊焊點故障； 圖6C和6D分別是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、點焊焊點位置相對于被連接的殼單 元的X-Y圖表，該圖表用于確定點焊焊點故障； 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例、當(dāng)使用一個或多個實體單元的集群來表示或者建模 點焊焊點時，用于確定有限元分析中點焊焊點故障的示范性過程的流程圖；以及
圖8是實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的計算設(shè)備的主要部分的功能框圖。
具體實施例方式
為了便于描述本發(fā)明，必須要提供一些術(shù)語的定義，這些術(shù)語將會在本申請中通 篇使用。應(yīng)注意的是，以下的定義是為了便于理解和描述根據(jù)實施例的本發(fā)明。這些定義 可能看起來包括與該實施例相關(guān)的限制條件，但是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，這些術(shù)語 的實際含義在應(yīng)用上已經(jīng)超出了該實施例
FEA表示有限元分析。 隱式FEA或者解法指的是Ku = F，其中K是有效勁度矩陣(effectivestiffness matrix), u是未知的位移陣列，且F是有效負荷陣列。F是右手側(cè)負荷陣列，而K是左手側(cè) 勁度矩陣。該解法在整體級別上執(zhí)行，并對有效勁度矩陣進行因素分解，該有效勁度矩陣是 勁度、質(zhì)量和阻尼的函數(shù)。 一個示范性解法是Newmark時間積分法。 顯式FEA指的是Ma = F，其中M是對角線質(zhì)量陣列，a是未知節(jié)點加速度陣列，F(xiàn) 是有效負荷陣列。該解法可以在單元級別上執(zhí)行，而不對矩陣進行因數(shù)分解。 一個典型的 解法被稱為中央差分法。 時間推進模擬或者時域分析指的是時域上的工程分析模擬，例如，使用時域中的 有限元分納來模擬汽車抗撞擊性。 梁單元指的是由兩個端部節(jié)點定義的一維有限元。當(dāng)該梁位于應(yīng)變力作用下時， 該梁承載軸向應(yīng)力和在橫截面上可變化的三種剪切應(yīng)力。梁的軸向應(yīng)變被定義為梁沿軸向 的拉伸的量。例如，當(dāng)梁從原始長度L被軸向張力拉伸到拉長長度(L+S)時，軸向應(yīng)變e 被定義為每單位長度的總延長量S (也就是，e = S/L)。 殼單元指的是由一區(qū)域定義的二維單元，例如三角形單元、四邊形單元等。
實體單元指的是三維體積有限元，例如，4節(jié)點四面體單元、8節(jié)點六面體單元等。
應(yīng)變指的是測量樣品或樣本的變形得到的無量綱量 (non-dimensionalquantity)。 節(jié)點應(yīng)變指的是在有限元(例如，殼單元)的每個節(jié)點處的應(yīng)變，該有限元表示或 者建模結(jié)構(gòu)的一部分。 塑性應(yīng)變指的是將負載從樣品或樣本上撤銷后，不可恢復(fù)的應(yīng)變。 塑性節(jié)點應(yīng)變e p指的是在有限元(例如，殼單元)的節(jié)點處的塑性應(yīng)變。 在此參照圖1-8討論本發(fā)明的實施例。但是，本技術(shù)領(lǐng)域的人員將會理解，此處參
照這些附圖給出的詳細描述是用于解釋的目的，本發(fā)明可延伸到這些限制實施例之外。
首先參照圖1A，示出了使用多個點焊焊點來連接兩個零件的示范性結(jié)構(gòu)100的俯 視圖。結(jié)構(gòu)100包括由多個點焊焊點110a-n連接的第一零件(例如，頂板122)和第二零件 (例如，底板124)。圖IB示出了一種典型代表性點焊焊點110以及被連接的連接結(jié)構(gòu)100 的頂板122和底板124的正視圖。為了避免圖示的復(fù)雜性，使用了相對簡單的示范性結(jié)構(gòu) 100。本發(fā)明可應(yīng)用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如汽車、飛機等。 圖2A示出了圖1A中結(jié)構(gòu)100的示范性有限元模型。頂板122由包括多個殼單元 的第一有限元網(wǎng)格222表示，底板124由第二有限元網(wǎng)格224表示。每一點焊焊點110a-n 由將兩個零件連接在一起的特殊點焊焊點單元210(圖2中示出了兩個)表示。關(guān)于點焊 焊點群集相對于被連接的殼單元可位于何位置，沒有給出限制。圖2B示出了帶有點焊焊點 連接242的示范性殼單元240。點焊焊點242的位置不必位于單元242的轉(zhuǎn)角或者邊緣。 為了跟蹤點焊焊點連接在被連接的殼單元內(nèi)的位置，針對具有每個點焊焊點的每個被連接 殼單元采用一組單元參數(shù)坐標(biāo)(s， t)。換句話說，點焊焊點的每一端都與被連接的殼單元 的參數(shù)坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。 點焊焊點單元210可以是圖3A中示出的梁單元302或者是圖3B示出的至少一個 實體單元304的群集。本發(fā)明包括一種確定點焊故障的方法，該方法與哪個單元被選擇無 關(guān)。 當(dāng)點焊焊點IIO被梁單元建模或者表示時，是一對一的關(guān)系。梁單元的兩端對應(yīng) 于連接兩個零件的點焊焊點的兩端。例如，點焊焊點110的兩端是頂板122和底板124。
當(dāng)點焊焊點由至少一個實體單元的群集表示時，可以有很多選擇。最普通的選擇 如圖4所示，圖4包括四個示范性選項的俯視圖。第一選項422是一單元群集。第二、第 三、第四選項424、426、428分別是4、8和16單元群集。這些示范性群集中的每一個都包括 一個單元層，該單元層連接兩個被連接零件(也就是，頂板122和底板124)的兩個殼單元。 在本發(fā)明的一方面，當(dāng)由實體單元的群集表示或者建模時，點焊焊點的面積(通常為圓形) 被保留。例如，第一選項422(方形區(qū)域)的面積被設(shè)置成等于對應(yīng)的點焊焊點的面積。如
果第一選項422具有方形區(qū)域，每一側(cè)的長度等于
A，其 2
中d是點焊焊點的直徑。示范性
點焊焊點的俯視圖在圖5B中示出。 當(dāng)執(zhí)行碰撞分析(例如，汽車防撞性)的非線性時間推進模擬時，確定由一個； 個有限元表示的哪個部件已經(jīng)達到故障狀態(tài)是非常關(guān)鍵的。對于點焊焊點，有兩種故障模 式。 一種被稱為"插塞破裂故障"，其中點焊熔核或插塞周圍的鈑金件裂開或者失效。另一 種被稱為"熔核故障或者破裂"，其中點焊焊點本身出現(xiàn)故障。由于本發(fā)明的應(yīng)用，只檢查 "插塞破裂"模式的故障。為了確定"插塞破裂"故障，使用了基于梁理論的點焊焊點故障標(biāo) 準(zhǔn)。例如，點焊焊點的示范性故障標(biāo)準(zhǔn)如下 ,一 A2廣一 A2
<formula>formula see original document page 9</formula>等式(2b) = i + ^^+M力等式(3a)^:^l + :^S《等式(3b)爿-;r丄等式(3c) 4 Z-;r丄等式(3d) 32 其中 0 和t分別是點焊焊點的軸向和剪切應(yīng)力； 0^^。和7^^P)是分別是點焊焊點裂開或故障的拉伸和剪切應(yīng)力，包括應(yīng)變率效 果(例如，基于Cowper-Symonds模型); o F和t F是由樣本測試確定的靜態(tài)點焊焊點裂開或故障的拉伸和剪切應(yīng)力； C和p是Cowper-Symonds模型的取決于材料的應(yīng)變率參數(shù)，該應(yīng)變率參數(shù)用于比
例縮放在樣本測試中獲得的靜態(tài)裂開應(yīng)力； ^是塑性應(yīng)變率； Nrr是點焊焊點的合成軸向力； Nre和Nrt分別是r方向和t方向的合成剪切力； MCT是點焊焊點的合成扭矩； Mre和Mrt分別是關(guān)于點焊焊點的s軸和t軸的合力矩； A是點焊焊點的面積； Z是點焊焊點的截面模數(shù)； d是點焊焊點的直徑；以及 a是用戶定義的比例因子，具有缺省值l。 當(dāng)滿足等式(1)時，確定點焊焊點裂開。根據(jù)所連接的每個殼單元確定塑性變形 率。參數(shù)C和p取決于材料。對于每個點焊焊點的端部(也就是，群集的每個表面)，獨立 計算故障標(biāo)準(zhǔn)。等式(2a)和(2b)是考慮到撞擊事件(也就是，汽車碰撞)中吸收能量的 材料特性改變而做出的修正。材料特性(例如，應(yīng)力-應(yīng)變特征)對應(yīng)變率很敏感。因此， 在樣本測試中獲得的特性(例如，故障或者裂開應(yīng)力)需要被修改或者比例縮放，以反映動 態(tài)效應(yīng)(也就是，應(yīng)變率效應(yīng))。在Cowper-Symonds模型中(例如，等式(2a)和(2b))，汽 車或者車輛碰撞的應(yīng)變率具有每秒0. 1至100之間的范圍。參數(shù)C和p和材料相關(guān)聯(lián)，并 且可以采用已知的方法根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定，例如最小平方擬合。 圖5A是連接頂板522和底板524的點焊焊點510的正視圖，示出了點焊焊點拉伸 應(yīng)力或軸向應(yīng)力o 532。點焊焊點剪切應(yīng)力t 534在圖5B的點焊焊點的俯視圖中示出。在 等式(3a-d)中使用的坐標(biāo)系統(tǒng)(r，s，t)表示為r軸501(也就是，點焊焊點的軸向方向)、s軸502和t軸503 (也就是，點焊焊點的兩個徑向)。在圖5B中還示出了示范性的圓形點 焊焊點的直徑d 515。點焊焊點的面積A可以使用等式(3c)計算。合力542是作用于點焊 焊點510上的總軸向力，而合力矩544是總力矩?？梢允褂靡阎姆椒ǖ玫胶狭?42和合 力矩544，例如，沿著點焊焊點510的圓周對軸向應(yīng)力532求積分，將會得到合力542?？墒?用從點焊焊點510的中心到外周的力矩臂，來計算合力矩544。當(dāng)使用一個單元(例如，圖 3A中的梁302或者圖4中的實體單元422)建模點焊焊點510時，合力542和合力矩544是 簡單易得的。對于采用多個實體單元(例如，圖4中的集群424、426和428)建模的點焊焊 點，合力542和合力矩544需要包括集群中所有單元的分量。 當(dāng)作用于點焊焊點510、以及被連接板(也就是，頂板522和底板524)上的合力 542和合力矩544超出板的屈服點(yield stress)時，可發(fā)生塑性應(yīng)變552。這些塑性應(yīng) 變552可在時間推進模擬的每個求解周期中計算出。 雖然等式(1)在理論上足以用于確定點焊故障，但實驗數(shù)據(jù)表明，使用有限元分 析預(yù)知的點焊故障對至少兩個因素很敏感。第一個因素是點焊焊點在所連接的殼單元上的 位置(也就是，圖2B所示點焊焊點在殼單元上的坐標(biāo)(s， t))。第二個因素是連接到點焊 焊點的殼單元的物理尺寸?？紤]到這兩個敏感因素，如下的點焊故障標(biāo)準(zhǔn)包括了附加的比 例因子<formula>formula see original document page 11</formula>其中
ST是軸向應(yīng)力的單元尺寸敏感比例因子602， Ss是剪切應(yīng)力的單元尺寸敏感比例因子602，以及 S。是點焊焊點連接到殼單元的不同位置的位置敏感比例因子606A-B。 對于網(wǎng)格大小敏感度，在圖6A中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、針對不同尺寸 的殼單元(也就是，有限元網(wǎng)格的尺寸)的一組示范性的交叉張力或者軸向應(yīng)力敏感比例 因子602。類似地，圖6B示出了針對不同尺寸的殼單元的一組示范性的剪切力敏感因子 604。在圖6A-B中有兩組數(shù)據(jù)，一組是靜態(tài)軸向力和剪切力，另一組是動態(tài)的軸向力和剪切 力。 一個實施例中，可以使用平均值。在另一個實施例中，可根據(jù)模擬的力的特性，使用它 們中的一者。兩組數(shù)據(jù)都針對10X 10mm的殼單元被校準(zhǔn)。換句話說，10X 10mm的殼單元的 比例因子是1. O，而其它尺寸的單元需要根據(jù)圖6A-B中的數(shù)據(jù)進行調(diào)整。
對于位置敏感比例因子，圖6C示出了一組示范性的位置敏感比例因子606A，針對 沿著從單元的中心到邊緣的方向的不同位置。圖6D示出了另一組示范性的位置敏感比例 因子606B，針對沿著從單元的中心到轉(zhuǎn)角的方向的不同位置。在圖6C-6D中示出了兩組數(shù) 據(jù)，一組用于點焊焊點連接在相同的相對位置(表示為兩側(cè))的單元，另一組用于點焊焊點 連接在不同的相對位置(表示為一側(cè))的單元。 圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、用于確定其中包含點焊焊點連接的結(jié)構(gòu)的有限 元分析中點焊焊點故障的示范性過程700的流程圖。該過程700可以在軟件中實施，最好 結(jié)合前面的附圖加以理解。 過程700從在步驟702中接收結(jié)構(gòu)的一個或多個點焊焊點定義開始。例如，每個 點焊焊點在汽車中的位置和朝向。此外，還接收每個點焊焊點的所連接的兩個被連接零件的信息。所接收的點焊焊點定義通過已知的方法直接或間接饋送到有限元分析軟件模塊 (位于計算機的存儲器中，如以下參照圖8所述)。示范性的已知方法是利用帶有圖形用戶 界面的預(yù)處理軟件模塊。另一個已知的方法是根據(jù)有限元分析(FEA)軟件模塊的預(yù)定輸入 格式，手動輸入所接收的點焊焊點定義。 接下來，在步驟704，每個點焊焊點都由使用所接收的點焊焊點定義的單個梁單元 或者至少一個實體單元的群集表示。這通常由帶有暗含或直接用戶指令的預(yù)處理軟件模塊 或者FEA軟件模塊(工程引導(dǎo)汽車撞擊模擬)來執(zhí)行。當(dāng)群集中有一個以上的實體單元時， 采用現(xiàn)有技術(shù)將相關(guān)的實體單元組在一起，例如采用點焊焊點標(biāo)識(點焊焊點ID)對相關(guān) 的實體單元進行標(biāo)記。相關(guān)實體單元的分組可確保進一步進行合適的計算(例如，計算點 焊焊點每一端的合力和合力矩)。接下來，在步驟706，在FEA軟件模塊中，將與每個點焊焊 點相關(guān)的信息初始化。初始化的信息包括被連接的殼單元(例如，唯一的殼單元號碼或者 ID)、材料應(yīng)變率效應(yīng)參數(shù)(例如，參數(shù)C和p) 、 FEA網(wǎng)格尺寸、以及點焊焊點兩端處被連接 的殼單元中的點焊焊點參數(shù)坐標(biāo)。 在點焊焊點的任一端的每個節(jié)點處為材料應(yīng)變率參數(shù)C和p賦值，然后使用已知 的技術(shù)(例如，簡單平均或者加權(quán)平均)轉(zhuǎn)換成單精度數(shù)字。材料應(yīng)變率參數(shù)C和p取決于 連接在點焊焊點對應(yīng)端的鈑金件(由殼單元表示)。例如，在圖4中，單個實體單元的集群 由每個端部的四個節(jié)點組成。在確定點焊焊點故障時，一種方法是計算四個節(jié)點處的C和 P，并使用簡單平均來得到點焊焊點的單組C和p。該集群的四個節(jié)點可以位于四個不同的 殼單元上，每個單元代表不同的材料，因此具有不同的C和p值。在另一個例子中，對于八 個實體單元426的更復(fù)雜的集群，在C和p的計算中涉及到十二個節(jié)點。不同于使用十二 組C和p的簡單平均，外部節(jié)點和內(nèi)部節(jié)點可以被賦予不同的加權(quán)因子，以進行加權(quán)平均計 算。 在步驟708中，使用被初始化的和輸入的信息，根據(jù)用戶預(yù)定的經(jīng)驗表或者圖表 (例如，圖6A-6D所示的X-Y表)，可確定點焊焊點位置和網(wǎng)格尺寸敏感比例因子(例如，等 式(4)中的S。，St和Ss)。 輸入和初始化完成以后，在步驟710中，F(xiàn)EA軟件模塊開始進行感興趣的撞擊事件 (例如，汽車撞擊或者車輛碰撞)的時間推進模擬。時間推進模擬通常從初始求解周期(也 就是，對應(yīng)時間t = 0的求解周期)開始。時間推進或者時域模擬在一個已知的程序中執(zhí) 行，例如，顯式非線性有限元分析。在步驟712中，如果集群包括一個以上的實體單元，則在 每個點焊焊點的每一端計算合力和合力矩。如果只有一個單元(梁或者實體)，合力和合 力矩在每個求解周期結(jié)束時直接可得。然后，合力和合力矩被轉(zhuǎn)換成軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。 對于塑性應(yīng)變率計算，在每個點焊焊點節(jié)點處，塑性應(yīng)變率^p計算如下
△《 其中 e p(n)是前一求解周期(n)中的節(jié)點塑性應(yīng)變； ￡ p(n+1)是當(dāng)前求解周期(n+1)中的節(jié)點塑性應(yīng)變；以及 A t是前一求解周期(n)與當(dāng)前求解周期(n+1)之間的時間增量。 然后，存儲節(jié)點塑性應(yīng)變(例如，圖5A中的塑性應(yīng)變522)以用于下一次計算(也就是，下一求解周期)。 接下來在步驟714中，計算出每個點焊焊點的軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力(也就是，o 和t)，并使用等式(4)確定點焊焊點故障。被確定失效或破裂的點焊焊點將因此而被移 除。在步驟716中，對于下一求解周期，將模擬時間t增加時間增量At。在步驟718中，確 定時間推進模擬是否已經(jīng)完成(例如，檢查預(yù)定的總模擬時間)。如果"否"，過程700回到 步驟712，執(zhí)行時間推進模擬的另一個求解周期，直至步驟718變成"是"，過程700結(jié)束。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，過程700可同樣確定點焊焊點故障，不論點焊焊點是由 梁單元還是由實體單元的集群表示。其中的一個優(yōu)點是允許結(jié)合梁單元和實體單元的集群 對點焊焊點進行建模。只有那些需要更詳細計算結(jié)果的點焊焊點是用實體單元進行建模 的。 根據(jù)一方面，本發(fā)明涉及一個或多個能夠執(zhí)行在此描述的功能的計算機系統(tǒng)。計 算機系統(tǒng)800的例子在圖8中示出。計算機系統(tǒng)800包括一個或多個處理器，例如處理器 804。處理器804連接到計算機系統(tǒng)內(nèi)部通信總線802。關(guān)于該示范性的計算機系統(tǒng)，有各 種軟件實現(xiàn)的描述。在讀完這一描述后，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員將會明白如何使用其它計算 機系統(tǒng)和/或計算機架構(gòu)來實施本發(fā)明。 計算機系統(tǒng)800還包括主存儲器808，優(yōu)選隨機存取存儲器(RAM)，還可包括輔助 存儲器810。輔助存儲器810包括例如一個或多個硬盤驅(qū)動器812和/或一個或多個可移 除存儲驅(qū)動器814，它們代表軟磁盤機、磁帶驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等?？梢瞥拇鎯︱?qū)動器 814用已知的方式從可移除存儲單元818中讀取和/或向可移除存儲單元818中寫入。可 移除存儲單元818代表可以由可移除存儲驅(qū)動器814讀取和寫入的軟盤、磁帶、光盤等?？?以理解，可移除存儲單元818包括其上存儲有計算機軟件和/或數(shù)據(jù)的計算機可讀媒介。
在可選實施例中，輔助存儲器810可包括其它類似的手段，允許計算機程序或者 其它指令被加載到計算機系統(tǒng)800。這樣的手段包括例如可移動存儲單元822和接口 820。 這樣的例子可包括程序盒式存儲器和盒式存儲器接口 (例如，視頻游戲設(shè)備中的那些)、可 移動存儲芯片(例如可擦除的可編程只讀存儲器(EPROM))、通用串行總線(USB)閃存、或 者PROM)以及相關(guān)的插槽、以及其它可移動存儲單元822和允許軟件和數(shù)據(jù)從可移動存儲 單元822傳遞到計算機系統(tǒng)800的接口 820。通常，計算機系統(tǒng)800由操作系統(tǒng)(OS)軟件 控制和管理，操作系統(tǒng)執(zhí)行例如進程調(diào)度、存儲器管理、網(wǎng)絡(luò)連接和I/O服務(wù)。
可能還設(shè)有連接到總線802的通信接口 824。通信接口 824允許軟件和數(shù)據(jù)在計 算機系統(tǒng)800和外部設(shè)備之間傳遞。通信接口 824的例子包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口 (例 如以太網(wǎng)卡)、通信端口、個人計算機存儲卡國際協(xié)會(PCMCIA)插槽和卡等等。
計算機800基于一組特定的規(guī)則(也就是，協(xié)議)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與其它計算設(shè)備 通信。通用協(xié)議的其中一種是在互聯(lián)網(wǎng)中通用的TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。 通常，通信接口 824將數(shù)據(jù)文件組合處理成較小的數(shù)據(jù)包以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，或?qū)⒔邮?到的數(shù)據(jù)包重新組合成原始的數(shù)據(jù)文件。此外，通信接口 824處理每個數(shù)據(jù)包的地址部分 以使其到達正確的目的地，或者中途截取發(fā)往計算機800的數(shù)據(jù)包。在這份文件中，術(shù)語 "計算機程序媒介"和"計算機可用媒介"都用來指代媒介，例如可移動存儲驅(qū)動器814和/ 或設(shè)置在硬盤驅(qū)動器812中的硬盤。這些計算機程序產(chǎn)品是用于將軟件提供給計算機系統(tǒng) 800的手段。本發(fā)明涉及這樣的計算機程序產(chǎn)品。
計算機系統(tǒng)800還包括輸入/輸出(I/O)接口 830，它使得計算機系統(tǒng)800能夠接 入顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機、掃描器、繪圖機、以及類似設(shè)備。 計算機程序(也被稱為計算機控制邏輯)作為應(yīng)用模塊806存儲在主存儲器808 和/或輔助存儲器810中。也可通過通信接口 824接收計算機程序。這樣的計算機程序被 執(zhí)行時，使得計算機系統(tǒng)800執(zhí)行如在此所討論的本發(fā)明的特征。特別地，當(dāng)執(zhí)行該計算機 程序時，使得處理器804執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這樣的計算機程序代表計算機系統(tǒng)800 的控制器。 在本發(fā)明采用軟件實現(xiàn)的實施例中，該軟件可存儲在計算機程序產(chǎn)品中，并可使 用可移動存儲驅(qū)動器814、硬盤驅(qū)動器812、或者通信接口 824加載到計算機系統(tǒng)800中。應(yīng) 用模塊806被處理器804執(zhí)行時，使得處理器804執(zhí)行如在此所述的本發(fā)明的功能。
主存儲器808可加載有一個或多個應(yīng)用模塊806，所述應(yīng)用模塊806可被一個或 多個處理器804執(zhí)行以實現(xiàn)期望的任務(wù)，所述處理器可具有或不具有通過I/O接口 830輸 入的用戶輸入。在運行中，當(dāng)至少一個處理器804執(zhí)行一個應(yīng)用模塊806時，結(jié)果被計算出 來并存儲在輔助存儲器810(也就是，硬盤驅(qū)動器812)中。有限元分析(例如，汽車抗撞擊 性、點焊焊點的故障)的狀態(tài)以文字或者圖形表示的方式通過1/0接口報告給用戶。
雖然參照特定的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的， 并不用于限制本發(fā)明。本技術(shù)領(lǐng)域的人員可得到暗示，對具體公開的示范性實施例做出各 種修改和改變。例如，雖然已經(jīng)展示和描述了點焊焊點位置和網(wǎng)格尺寸敏感比例因子作為 靜態(tài)數(shù)字，僅在初始化階段計算一次，這些比例因此可以在每一求解周期針對不同的要求 確定出。此外，盡管已經(jīng)展示和描述了汽車撞擊模擬的有限元分析，其它類型的沖擊事件也 可以適用，例如金屬成型。總之，本發(fā)明的范圍不限于在此公開的特定示范性實施例，對本 技術(shù)領(lǐng)域人員來說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和范圍以及后附權(quán)利要求 的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種在結(jié)構(gòu)撞擊事件的時間推進模擬中確定點焊焊點故障的方法，用于設(shè)計其中包含一個或多個點焊焊點的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述方法包括接收結(jié)構(gòu)中的一個或多個點焊焊點定義，每個點焊焊點定義包括點焊焊點以及與之連接的第一和第二零件；創(chuàng)建所述結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，包括用于表示點焊焊點的至少一個實體單元的集群、表示第一零件的多個第一殼體單元、以及表示第二零件的多個第二殼體單元，所述集群具有第一和第二端，第一端具有多個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到對應(yīng)的一個第一殼單元上，第二端具有多個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到對應(yīng)的一個第二殼單元上；確定第一和第二端中每一端的總軸向應(yīng)力敏感比例因子和總剪切應(yīng)力敏感比例因子；確定第一和第二端中每一端的總位置敏感比例因子；計算每一端在時間推進模擬的當(dāng)前求解周期中的合力和合力矩；使用在時間推進模擬的當(dāng)前求解周期中計算出的塑性應(yīng)變和前一求解周期中存儲的塑性應(yīng)變，來計算所述每一端的總塑性應(yīng)變率；檢查當(dāng)前求解周期中的所述每一端的點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)，所述點焊焊點接故障標(biāo)準(zhǔn)是所計算的合力和合力矩、所述塑性應(yīng)變率、以及所述總軸向應(yīng)力、總軸向剪切力和總位置敏感比例因子的函數(shù)；并且當(dāng)所述點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)指示在所述集群的第一端和第二端中任一端處的點焊焊點故障或者破裂時，在時間推進模擬的下一求解周期中，將所述集群從有限元分析模型中移除。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元分析模型被配置用于表示抗 撞擊分析中的汽車。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述每一端的總軸向應(yīng)力敏感比例 因子和總剪切應(yīng)力敏感比例因子還包括確定所述每一端的每個節(jié)點的多個單獨的軸向應(yīng)力敏感比例因子以及多個單獨的剪 切應(yīng)力敏感度比例因子；通過將所述每一端的所有的單獨軸向應(yīng)力敏感比例因子進行平均，得到所述總軸向應(yīng) 力敏感比例因子；以及通過將所述每一端的所有的單獨剪切應(yīng)力敏感比例因子進行平均，得到所述總剪切應(yīng) 力敏感比例因子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述單獨的軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力敏感比 例因子中的每一個都被配置成方便不同的殼單元尺寸，所述不同的殼單元尺寸對應(yīng)于與所 述每一端的節(jié)點中的每一節(jié)點連接的一個殼單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述每一端的總位置敏感比例因子 進一步包括確定所述每一端的每個節(jié)點的多個單獨的位置敏感比例因子；以及 通過將所述每一端的所有的單獨位置敏感比例因子進行平均，得到所述總位置敏感比 例因子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，每一個所述單獨的位置敏感比例因子被配置為方便不同的連接位置，所述連接位置對應(yīng)于連接到所述每一端的節(jié)點中的每一個節(jié) 點的第一和第二殼單元中的其中一者。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在計算設(shè)備的監(jiān)視器上用圖形顯 示時間推進模擬的一個或多個結(jié)果，使得這些結(jié)果可以被看見并被理解，以用于所述結(jié)構(gòu) 設(shè)計的進一步設(shè)計決策。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，計算所述合力和合力矩進一步包括 當(dāng)集群中有一個以上的實體單元時，通過唯一的點焊焊點標(biāo)識將所述一個以上的實體單元分組；以及通過將集群中所述一個以上實體單元中的所有實體單元的單獨力和力矩加總，得到合 力和合力矩。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，計算所述每一端的總塑性應(yīng)變率進一步 包括計算所述每一端的每個節(jié)點的多個單獨的塑性應(yīng)變率；以及通過將所述每一端的所有單獨的塑性應(yīng)變率進行平均，得到所述總塑性應(yīng)變率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述多個單獨的塑性應(yīng)變率取決于連接 到所述每個節(jié)點的第一和第二殼單元中的對應(yīng)一個的塑性應(yīng)變。
11. 一種包含指令的計算機可讀媒介，所述指令用于控制計算機系統(tǒng)通過一方法在結(jié) 構(gòu)撞擊事件的時間推進模擬中確定點焊焊點故障，以設(shè)計其中包含一個或多個點焊焊點的 結(jié)構(gòu)，所述方法包括接收結(jié)構(gòu)中的一個或多個點焊焊點定義，每個點焊焊點定義包括點焊焊點以及與之連 接的第一和第二零件；創(chuàng)建所述結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，包括用于表示點焊焊點的至少一個實體單元的集 群、表示第一零件的多個第一殼體單元、以及表示第二零件的多個第二殼體單元，所述集群 具有第一和第二端，第一端具有多個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到對應(yīng)的一個第一殼單元上，第 二端具有多個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到對應(yīng)的一個第二殼單元上；確定第一和第二端中每一端的總軸向應(yīng)力敏感比例因子和總剪切應(yīng)力敏感比例因子；確定第一和第二端中每一端的總位置敏感比例因子； 計算每一端在時間推進模擬的當(dāng)前求解周期中的合力和合力矩；使用在時間推進模擬的當(dāng)前求解周期中計算出的塑性應(yīng)變和前一求解周期中存儲的 塑性應(yīng)變，來計算所述每一端的總塑性應(yīng)變率；檢查當(dāng)前求解周期中的所述每一端的點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)，所述點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)是所 計算的合力和合力矩、所述塑性應(yīng)變率、以及所述總軸向應(yīng)力、總軸向剪切力和總位置敏感 比例因子的函數(shù)；并且當(dāng)所述點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)指示在所述集群的第一端和第二端中任一端處的點焊焊點 故障或者破裂時，在時間推進模擬的下一求解周期中，將所述集群從有限元分析模型中移 除。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的計算機可讀存儲媒介，其特征在于，確定所述每一端的總 軸向應(yīng)力敏感比例因子和總剪切應(yīng)力敏感比例因子還包括確定所述每一端的每個節(jié)點的多個單獨的軸向應(yīng)力敏感比例因子以及多個單獨的剪切應(yīng)力敏感度比例因子；通過將所述每一端的所有的單獨軸向應(yīng)力敏感比例因子進行平均，得到所述總軸向應(yīng)力敏感比例因子；以及通過將所述每一端的所有的單獨剪切應(yīng)力敏感比例因子進行平均，得到所述總剪切應(yīng)力敏感比例因子。
13. —種在結(jié)構(gòu)撞擊事件的時間推進模擬中確定點焊焊點故障的系統(tǒng)，用于設(shè)計其中包含一個或多個點焊焊點的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括主存儲器，用于存儲應(yīng)用模塊的計算機可讀代碼；與所述主存儲器相連的至少一個處理器，所述至少一個處理器執(zhí)行所述主存儲器內(nèi)的計算機可讀代碼，使得所述應(yīng)用模塊執(zhí)行以下操作方法接收結(jié)構(gòu)中的一個或多個點焊焊點定義，每個點焊焊點定義包括點焊焊點以及與之連接的第一和第二零件；創(chuàng)建所述結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，包括用于表示點焊焊點的至少一個實體單元的集群、表示第一零件的多個第一殼體單元、以及表示第二零件的多個第二殼體單元，所述集群具有第一和第二端，第一端具有多個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到對應(yīng)的一個第一殼單元上，第二端具有多個節(jié)點，每個節(jié)點都連接到對應(yīng)的一個第二殼單元上；確定第一和第二端中每一端的總軸向應(yīng)力敏感比例因子和總剪切應(yīng)力敏感比例因子；確定第一和第二端中每一端的總位置敏感比例因子；計算每一端在時間推進模擬的當(dāng)前求解周期中的合力和合力矩；使用在時間推進模擬的當(dāng)前求解周期中計算出的塑性應(yīng)變和前一求解周期中存儲的塑性應(yīng)變，來計算所述每一端的總塑性應(yīng)變率；檢查當(dāng)前求解周期中的所述每一端的點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)，所述點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)是所計算的合力和合力矩、所述塑性應(yīng)變率、以及所述總軸向應(yīng)力、總軸向剪切力和總位置敏感比例因子的函數(shù)；并且當(dāng)所述點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)指示在所述集群的第一端和第二端中任一端處的點焊焊點故障或者破裂時，在時間推進模擬的下一求解周期中，將所述集群從有限元分析模型中移除。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，確定所述每一端的總軸向應(yīng)力敏感比例因子和總剪切應(yīng)力敏感比例因子還包括確定所述每一端的每個節(jié)點的多個單獨的軸向應(yīng)力敏感比例因子以及多個單獨的剪切應(yīng)力敏感度比例因子；通過將所述每一端的所有的單獨軸向應(yīng)力敏感比例因子進行平均，得到所述總軸向應(yīng)力敏感比例因子；以及通過將所述每一端的所有的單獨剪切應(yīng)力敏感比例因子進行平均，得到所述總剪切應(yīng)力敏感比例因子。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，確定所述每一端的總位置敏感比例因子進一步包括確定所述每一端的每個節(jié)點的多個單獨的位置敏感比例因子；以及通過將所述每一端的所有的單獨位置敏感比例因子進行平均，得到所述總位置敏感比例因子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在結(jié)構(gòu)撞擊事件的時間推進模擬中確定點焊焊點故障的方法及系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)中的每一個點焊焊點由結(jié)構(gòu)的有限元分析模型中的至少一個實體單元的集群來表示。每個點焊焊點用于將兩個零件連接在一起。這兩個零件中的每一個零件通常都表示或建模成多個二維殼單元。由于點焊焊點和兩個零件之間的連接可任意地位于相應(yīng)零件內(nèi)，表示兩個零件的殼單元不必在空間上對準(zhǔn)。唯一的要求是，兩個殼單元必須彼此重疊，使得點焊焊點可以將兩個殼單元連接在一起。用于確定點焊焊點故障的點焊焊點故障標(biāo)準(zhǔn)包括作用于點焊焊點的剪切力和軸向應(yīng)力，殼單元的尺寸和點焊焊點位置敏感比例因子、以及應(yīng)變率效應(yīng)。
文檔編號G06F17/50GK101739490SQ200910207380
公開日2010年6月16日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者約翰·O·霍爾奎斯特 申請人:利弗莫爾軟件技術(shù)公司