[发明专利]使用有限元分析模型数值模拟具有热影响区的结构

说明书

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