使用自動多級子結構化生成子結構的製作方法

2023-05-27 23:15:56

專利名稱：使用自動多級子結構化生成子結構的製作方法
技術領域：
概括地說，本申請描述的實施例涉及有限元分析，具體地說，本申請描述的實施例涉及具有大量自由度的結構的有限元分析(FEA)模擬。
背景技術：
在有限元框架中，通常採用子結構化技術(或部件模態綜合法)來分析大型複雜結構的系統。這些技術使得局部設計修改變得更加容易並且加速了模型組裝過程。尤其在大型車輛模型的設計階段中，子結構化技術常常用於減小組裝系統的大小，因此減小了對組裝系統進行後續分析的成本。為了使用子結構化技術減小大型系統的大小，除了約束(有時還稱作靜態)模式之外，通常還會使用刪減的正常模式。為了滿足較為頻繁的對有限元模型的不斷增加的精度需求，模型系統的大小顯著地增加並且需要許多個子結構本徵模式。對大規模本徵值問題進行求解的一個已知方法是自動多級子結構化(AMLS)技術。AMLS技術還用於加速用於大型子結構生成的本徵求解過程。然而，生成子結構佔用了很多的計算時間並且需要大量的計算機資源，這是由於需要存儲大型子結構的完全子結構模式以用於後續恢復，並且需要在子結構生成過程中獲取大型子結構的完全子結構模式以進行壓縮矩陣計算，其中生成子結構包括將子結構系統矩陣投影到包括本徵模式和約束模式的子結構模態空間上。在大規模模型的傳統動態子結構生成過程中，計算本徵模式是強制性的，並且計算約束模式和將系統矩陣(即剛度、質量、阻尼矩陣以及力向量)投影到子結構模態空間上的成本非常高，這是由於投影是使用物理空間中的完全子結構模式來執行的，其大小可能很容易大於數億的自由度。

發明內容
在一個方面中，提供了一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的計算機實現的方法。所述計算機實現的方法包括:用AMLS方法，組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構；將所述3D表示的結構投影到多級的AMLS子結構模態子空間(或縮減的AMLS子空間)上；計算縮減的AMLS子空間上的多個本徵模式和壓縮算子；以及使用AMLS變換矩陣來計算子結構約束模式。所述計算機實現的方法還包括:基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構；以及將所述至少一個子結構存儲在存儲區域中。在另一個方面中，提供了一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的計算機。所述計算機包括:存儲區域；以及處理器，可操作地耦合到所述存儲區域。所述處理器被配置為:利用AMLS技術來組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構；將所述3D表示的結構投影到多級的子結構模態子空間上；基於縮減的結構來計算多個本徵模式和壓縮算子；以及使用AMLS變換矩陣來計算約束模式。所述處理器還被配置為:基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構；以及將所述至少一個子結構存儲在存儲區域中。
在另一個方面中，提供了一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的電腦程式產品。所述電腦程式產品包括具有計算機可執行組件的一個或多個計算機可讀存儲介質，其中所述組件包括根子結構生成組件，所述根子結構生成組件當由處理器執行時，使得所述處理器組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構。所述組件還包括子結構生成組件，所述子結構生成組件當由處理器執行時，使得所述處理器:將所述3D表示的結構縮減到子結構模態子空間(或縮減的AMLS子空間)上；基於縮減的結構來計算多個本徵模式和壓縮算子；以及使用AMLS變換矩陣來計算約束模式。所述子結構生成組件還使得所述處理器:基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構。


在下面的附圖和描述中給出了本發明的一個或多個實施例的細節。根據說明書、附圖以及根據權利要求書，本發明的其它特徵、目的和優點將是顯而易見的。圖1的流程圖示出了包括用於計算本徵模式的AMLS技術以及已知的Craig-Bampton (或固定界面)子結構生成技術的已知過程。圖2的流程圖示出了用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析(FEA)的包括基於AMLS的Craig-Bampton過程的示例性方法。圖3為被劃分的系統的多級子結構樹。圖4為被劃分的系統的多級子結構樹，包括保留的自由度。圖5的流程圖示出了與圖1中示出的過程類似的已知過程，其中，可以使用自由界面正常模式和約束模式來生成傳統的Craig-Chang (或自由界面)子結構。圖6的流程圖示出了用於物理對象的3D表示的FEA的包括基於AMLS的Craig-Chang過程的示例性方法。圖7為用於物理對象的3D表示的有限元分析的示例性計算機系統的示意性框圖。圖8為與在圖7中示出的計算機系統一起使用的示例性計算機架構的示意性框圖。
具體實施例方式如同在本申請中所使用的，術語Craig-Bampton和Craig-Bampton過程、程序和/或方法一般涉及使用約束模式和固定界面動態模式的子結構化方法，固定界面動態模式包括本徵模式和/或殘餘模式。如同在本申請中所使用的，術語Craig-Chang和Craig-Chang過程、程序和/或方法一般涉及使用約束模式和自由界面動態模式的子結構化方法，自由界面動態模式包括修改的本徵模式和/或殘餘模式。Craig-Chang方法使用正交化過程來去除動態模式的可能的線性相關性，並將動態模式修改成與其在固定界面方法中相同的結構(然而，並未改變子空間)。如同在本申請中所使用的，術語通用混合界面過程、程序和/或方法一般涉及使用通用動態模式和/或任何其它動態模式的子結構化方法，通用動態模式可以包括在子結構界面處具有任意邊界條件的本徵模式。Craig-Bampton和Craig-Chang都是這種通用方案的子集。在本申請中描述了用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析(FEA)的方法、系統、裝置以及電腦程式產品的示例性實施例。本申請中描述的實施例有助於將AMLS本徵求解過程與子結構生成過程集成，以解決當前子結構生成過程的缺點。此外，使用本申請中描述的實施例，能夠以非常小的額外計算成本在AMLS本徵求解過程期間計算子結構正常模式和約束模式以及壓縮的子結構系統矩陣。因此，本申請中描述的實施例通過消除對使用和計算完全子結構模式(包括本徵模式和約束模式)的需求，顯著地提高了子結構生成過程的性能，並且降低了計算資源的利用。本申請中描述的方法、系統、裝置以及電腦程式的示例性技術效果包括新的基於AMLS的子結構生成算法。可以在AMLS本徵求解過程中生成固定界面、自由界面以及混合界面子結構。在傳統的子結構生成方法中，通過對剛度矩陣進行分解來獲得消除的自由度(DOF)並對線性方程的系統進行求解來計算約束模式，在線性方程中，消除的DOF和保留的DOF之間的耦合剛度項作為該系統中的右端向量。接著，使用完全本徵模式和約束模式來計算出壓縮的系統矩陣。由於在AMLS變換期間對剛度矩陣進行分解，從而被分解的剛度矩陣可以在AMLS本徵解過程中重用於計算約束模式。這將會在子結構生成過程中節省剛度矩陣的一次分解。並且，如果保留的子結構被定義為根子結構，則壓縮的系統矩陣為保留的子結構的系統矩陣。這意味著，壓縮矩陣的對角塊是作為AMLS變換過程的一部分而計算出來的，從而對於生成子結構，不存在計算壓縮的剛度和質量矩陣的對角塊的額外成本。此夕卜，由於縮減的AMLS子空間的大小通常比該結構的原始大小要小兩個數量級，從而可以以較低的計算成本在縮減的AMLS子空間上計算出壓縮的質量和阻尼矩陣中的需要完全本徵模式的非對角塊。因此，完全消除了在子結構生成過程中的計算。此外，如同在本申請中關於本發明的示例性實施例所描述的，由於除了子結構完全恢復之外並不需要完本徵模式，所以對於子結構生成而言不需要計算出完全本徵模式。因此，如果在子結構生成過程中請求選擇性恢復，則可以請求僅選擇性恢復用戶定義的節點處的本徵模式，以節省在AMLS本徵求解過程中恢復完全本徵模式的時間，並且消除了為後續的子結構生成過程存儲大型的完全本徵模式的二級磁碟空間需求。對於Craig-Chang方法，可以在縮減的AMLS子空間上有效地完成修改的動態模式的必要正交化，這會顯著地降低計算需求。圖1的流程圖100示出了包括用於計算本徵模式的AMLS技術102以及已知的Craig-Bampton(或固定界面)子結構生成技術104的已知過程。在已知過程中，對系統矩陣進行組裝106，以獲得物理對象的3D表示或模型，其中系統矩陣包括剛度矩陣、質量矩陣、阻尼矩陣和/或力向量矩陣。例如，如同公式(I)和(2)所示的，劃分剛度矩陣(K)和質量矩陣M:
權利要求
1.一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的計算機實現的方法，所述計算機實現的方法包括: 組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構； 將所述3D表示的結構縮減到縮減的自動多級子結構化(AMLS)子空間上； 基於所述縮減的AMLS子空間來計算多個本徵模式和壓縮算子； 使用AMLS變換矩陣來計算多個約束模式； 基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構；以及 將所述至少一個子結構存儲在存儲區域中。
2.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括:計算剛度矩陣、質量矩陣、阻尼矩陣以及力向量矩陣中的至少一個，其中，縮減的結構是至少部分地基於所述剛度矩陣、所述質量矩陣、所述阻尼矩陣以及所述力向量矩陣中的至少一個來計算的。
3.根據權利要求2所述的計算機實現的方法，其中，將結構縮減的步驟包括在多個級別上並至少部分地基於所述剛度矩陣、所述質量矩陣、所述阻尼矩陣以及所述力向量矩陣中的至少一個而將所述結構劃分成所述至少一個子結構。
4.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，計算多個本徵模式和壓縮算子的步驟包括使用縮減的結構來計算縮減的本徵問題。
5.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，還包括:將所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子存儲在所述存儲區域中。
6.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，將結構縮減的步驟包括縮減除了所述根子結構之外的結構。
7.根據權利要求1所述的計算機實現的方法，其中，將結構縮減的步驟包括縮減所述結構和所述根子結構。
8.根據權利要求7所述的計算機實現的方法，還包括:計算多個正交的修改的動態模式。
9.根據權利要求8所述的計算機實現的方法，還包括:將所述多個正交的修改的動態模式存儲在所述存儲區域中。
10.一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的計算機，所述計算機包括: 存儲區域；以及 處理器，可操作地耦合到所述存儲區域，並被配置為: 組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構； 將所述3D表示的結構縮減到縮減的自動多級子結構化(AMLS)子空間上； 基於縮減的結構來計算多個本徵模式和壓縮算子； 使用AMLS變換矩陣來計算多個約束模式； 基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構；以及 將所述至少一個子結構存儲在所述存儲區域中。
11.根據權利要求10所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:計算剛度矩陣、質量矩陣、阻尼矩陣以及力向量矩陣中的至少一個，並且其中，所述縮減的結構是至少部分地基於所述剛度矩陣、所述質量矩陣、所述阻尼矩陣以及所述力向量矩陣中的至少一個來計算的。
12.根據權利要求11所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:在多個級別上並至少部分地基於所述剛度矩陣、所述質量矩陣、所述阻尼矩陣以及所述力向量矩陣中的至少一個將所述結構劃分成所述至少一個子結構。
13.根據權利要求10所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:使用所述縮減的結構來計算縮減的本徵問題。
14.根據權利要求10所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:將所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子存儲在所述存儲區域中。
15.根據權利要求10所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:縮減除了所述根子結構之外的結構。
16.根據權利要求10所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:縮減所述結構和所述根子結構。
17.根據權利要求16所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:計算多個正交的修改的動態模式。
18.根據權利要求17所述的計算機，其中，所述處理器還被配置為:將所述多個正交的修改的動態模式存儲在所述存儲區域中。
19.一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的電腦程式產品，所述電腦程式產品包括具有計算機可執行組件的一個或多個計算機可讀存儲介質，所述組件包括: 根子結構生成組件 ，其在由至少一個處理器執行時使得所述至少一個處理器組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構； 子結構生成組件，其在由至少一個處理器執行時使得所述至少一個處理器: 將所述3D表示的結構縮減到縮減的自動多級子結構化(AMLS)子空間上； 基於縮減的結構來計算多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子； 使用AMLS變換矩陣來計算多個約束模式；以及基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構。
20.根據權利要求19所述的電腦程式產品，其中，所述組件還包括:矩陣生成組件，其在由至少一個處理器執行時使得所述至少一個處理器計算剛度矩陣、質量矩陣、阻尼矩陣以及力向量矩陣中的至少一個，並且其中，所述子結構生成組件使得所述至少一個處理器至少部分地基於所述剛度矩陣、所述質量矩陣、所述阻尼矩陣以及所述力向量矩陣中的至少一個來計算所述縮減的結構。
21.根據權利要求20所述的計算機，其中，所述子結構生成組件還使得所述至少一個處理器在多個級別上並至少部分地基於所述剛度矩陣、所述質量矩陣、所述阻尼矩陣以及所述力向量矩陣中的至少一個而將所述結構劃分成所述至少一個子結構。
22.根據權利要求19所述的計算機，其中，所述子結構生成組件還使得所述至少一個處理器使用所述縮減的結構來計算縮減的本徵問題。
23.根據權利要求19所述的計算機，其中，所述子結構生成組件還使得所述至少一個處理器縮減除了所述根子結構之外的結構。
24.根據權利要求19所述的計算機，其中，所述子結構生成組件還使得所述至少一個處理器縮減所述結構和所述根子結構。
25.根據權利要 求24所述的計算機，其中，所述子結構生成組件還使得所述至少一個處理器計算多個正交的修改的動態模式。
全文摘要
提供了一種用於物理對象的三維(3D)表示的有限元分析的計算機實現的方法。所述計算機實現的方法包括組合所述3D表示的多個保留的自由度，以形成根子結構；將所述3D表示的結構縮減到縮減的自動多級子結構化(AMLS)子空間上；基於縮減的結構來計算多個本徵模式和壓縮算子；以及使用AMLS變換矩陣來計算約束模式。所述計算機實現的方法還包括基於所述多個本徵模式、約束模式以及壓縮算子來生成所述3D表示的至少一個子結構；以及將所述至少一個子結構存儲在存儲區域中。
文檔編號G06F17/16GK103106182SQ20121045109
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月12日 優先權日2011年11月14日
發明者M·金, V·貝爾斯基, M·貝伊 申請人:達索系統西姆利亞公司