CN104809261A - 用于执行设计敏感度分析的方法和*** - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于执行产品的设计敏感度分析的方法和***。在其上安装有有限元分析(FEA)软件的计算机***中接收表示产品的FEA模型。所述FEA软件被配置为使用显式和隐式求解方案并允许FEA模型在所述显式和隐式求解方案之间来回切换。通过在计算机***中使用FEA模型采用显式求解方案执行时间推进模拟，获得数值模拟的结构行为。接下来通过使用相同FEA模型采用隐式求解方案在各预定的求解周期执行一个或多个快照结构分析，来执行设计敏感度分析(DSA)。每一快照结构分析都基于在那个求解周期获得的模拟结构行为。DSA包括感兴趣的结构响应相对所选择的设计变量的一个或多个偏导数。

Description

用于执行设计敏感度分析的方法和***
技术领域
本发明总的涉及计算机辅助工程设计优化，更具体地说，涉及用于执行产品的设计敏感度分析的方法和***。
背景技术
如今，计算机辅助工程(CAE)已经被用于在许多任务(例如，分析、模拟、设计、制造等)中支持工程师。在传统的工程设计程序中，CAE分析(例如有限元分析(FEA)、有限差分分析、无网格分析、计算流体动态(CFD)分析、用于减少噪声-振动-声振粗糙度(NVH)的模态分析，等)已经被用于评估响应(例如，应力、位移等)。使用汽车设计作为例子，使用FEA分析汽车的特殊版本或设计，以获得由于某些负荷条件而产生的响应。接下来工程师将会通过基于特定的目标和约束条件修改某些参数或者设计变量(例如，钢壳的厚度、框架的位置等)来试图改善汽车设计。另一种FEA被执行以反映这些改变直至已经完成“最佳”设计。但是，这种方法通常取决于工程师的知识或者基于逐步逼近的方法。为了解决这个问题，使用了***性的方法(被称为设计优化)来识别“最佳”设计。
传统上，采用计算机***来执行设计优化，且设计优化通常被分为三类，尺寸、形状和拓扑。拓扑优化最适于创建最佳的概念设计，其中用户(也就是，工程师、设计者等)不必像工程产品的形状和/或尺寸那样放入太多的约束条件。另外，设计敏感度分析(DSA)同设计优化一起执行以确保采用CAE可预知“最佳”设计。有许多与在汽车碰撞模拟中使用显式求解器相关的问题。现代的实践使用大量的有限元(例如，1,000,000以上的单元)来建模汽车。因此，这样的FEA模型的时间推进模拟要求整夜运行多处理器计算机***。这使得仅采用显式FEA求解器在时间推进模拟中执行DSA变成不实际的。一个解决方案是使用具有隐式求解器的等效模型结合具有显式求解器的原始模型来执行DSA。但是，这不仅需要太多的成本来研发用于隐式和显式求解器两者的敏感度分析方法，并且研发隐式分析的等效模型给用户带来了额外的高成本。因此，期望有一种改进的执行产品的设计敏感度分析的方法和***，采用对于在时间推进模拟中的期望周期的显式和隐式求解方案都是有效的单个方法论。这样的方法没有研发除隐式方案外的显式方案的敏感度分析的成本，也没有研发除显式分析模型外的等效隐式分析模型的成本。
发明内容
这部分用于总结本发明的一些方面，并简略地介绍一些优选的实施例。可以在这部分、以及此处的摘要和标题中做出简化或省略，以避免使这部分的目的不清楚。这样的简化或省略不用于限制本发明的范围。
本发明公开了一种用于基于从时间推进模拟获得的模拟结构行为来执行产品的设计敏感度分析的方法和***。根据本发明的一方面，创建表示产品的FEA模型，并在计算机***中接收所述FEA模型，在所述计算机***上安装有FEA应用模块。所述FEA应用模块被配置为使用显式和隐式求解方案，且允许FEA模型在所述显式和隐式求解方案之间来回切换。所述FEA模型包括由多个有限元连接的多个节点。接下来通过使用计算机***中的采用显式求解方案的FEA模型执行时间推进模拟，获得数值模拟的结构行为。所述时间推进模拟包括时间上的多个求解周期。接下来通过使用采用隐式求解方案的相同FEA模型在各预定的求解周期执行一个或多个快照(snapshot)结构分析，来执行设计敏感度分析。每一快照结构分析都基于在对应的预定求解周期获得的模拟结构行为。DSA包括感兴趣的结构响应相对所选择的设计变量的一个或多个偏导数。DSA的结果被用于改进待优化设计的产品。
根据以下结合附图的对实施例的详细描述，本发明的目的、特征和优点将会变得明显。
附图说明
参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：
图1是根据本发明的实施例的基于从时间推进模拟获得的模拟结构行为执行产品的设计敏感度分析的示范性过程的流程图；
图2是汽车碰撞模拟(产品的时间推进模拟)的图形结果的示意图。
图3A是根据本发明的实施例的在时间推进模拟中获得的示范性响应对比时间的示意图；
图3B是根据本发明的实施例的在设计敏感度分析中获得的示范性响应对比设计变量的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的待优化的示范性部件(也就是膝垫)的初始配置的示意图；
图5是根据本发明的实施例的使用设计敏感度分析的示范性部件的最佳配置的示意图；
图6是示范性的计算设备的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在该计算设备中实施。
具体实施方式
在以下描述中，列出了许多特定的细节，以提供对本发明的透彻理解。但是，对于本领域的技术人员来说很明显，可以实施本发明而不需要这些特定的细节。此处的描述和表示是本领域的那些技术人员所使用的共同含义，以最有效地将他们的工作的实质传达给本领域的其它技术人员。在其它的情况下，已知的方法、程序和组件没有被详细描述，以避免不必要地使本发明的各方面变得不清楚。
此处参照“一个实施例”或者“实施例”意味着与实施例一起描述的特殊特征、结构或特点可以被包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书的各处出现并不必都指代相同的实施例，也不是相互排除其它实施例的分开的或者选择性的实施例。另外，这份文件中的用语“最佳设计”用于指示迭代优化设计过程中满足设计要求(例如，目标、目的和约束条件)的设计。此外，用语“最佳配置”、“最佳设计”、“基本改进的设计”、“显著改进的设计”和“最终设计”在这份文件中通篇可互换使用。最后，表示本发明的一个或多个实施例的过程流程图或者示意图中的方框的顺序并不固有地指示任何特殊的顺序，也不暗示对本发明的任何限制。
在此将参照图1-6讨论本发明的实施例。但是，本领域的技术人员将会轻易地明白，在此参照附图给出的这些详细描述是用于解释性的目的，本发明可延伸到这些限制性的实施例之外。
首先参照图1，示出了基于从时间推进模拟获得的模拟结构行为执行产品的设计敏感度分析的示范性过程100的流程图。过程100优选地在软件中实施。
在开始(步骤102)，过程100在计算机***(例如图6的计算机600)中接收产品(例如，汽车、飞机、组件等)的有限元分析模型，该计算机***上安装有有限元分析(FEA)应用模块。FEA应用被配置用于使用显式和隐式求解方案且用于允许FEA模型在两种求解方案之间切换。FEA模型包括由多个有限元连接的多个节点。根据一个实施例，在这样的FEA应用模块中实施用于允许在两个求解方案之间切换的控制指示器(例如，软件中的标记)。
接下来，在步骤104，通过使用计算机***中的FEA模型采用显式求解方案执行时间推进模拟，来获得产品的模拟结构行为。时间推进模拟包含时间上的多个求解周期。模拟结构行为包括产品的动态效果。一个示范性的模拟是汽车碰撞模拟。图2示出了汽车碰撞模拟的示范性结果。
接下来，在步骤106，通过使用FEA模型采用隐式求解方案在预定的求解周期执行一个或多个快照结构分析，来执行设计敏感度分析(DSA)。每一快照结构分析都基于在对应的预定求解周期采用显式求解方案获得的配置的模拟结构行为。DSA包括感兴趣的结构响应与所选择的设计变量的一个或多个偏导数，该设计变量用于产品的特殊设计目的。
为了实现产品的设计目的，在设计优化程序中选择感兴趣的结构响应。模拟结构响应可以是在某些位置(例如，使用者的头)的加速度、膝盖的位移等。图3A是示范性的模拟结构行为和/或响应302对比时间304的关系曲线图。两个虚线箭头指示用于快照结构分析的示范性预定求解周期。在每个预定的求解周期310，使用显式求解方案所获得的配置的结构行为被用作隐式求解方案的配置。为了优化产品的设计，感兴趣的模拟结构行为/响应322对比选择的设计变量324的关系曲线在图3B中示出。
示范性产品(例如，汽车410的膝垫420)的优化在图4-5中示出。设计目的是实现在当汽车410处于碰撞中(例如35英里碰撞到墙上)时膝垫420在某些重量限制下的最佳设计。设计目标是得到可以吸收最大可能量的能量的结构，而设计约束是保持驾驶者的膝盖上的峰值负荷位于可允许的值内。膝垫420的初始配置在图4示出，而最佳配置在图5示出。在图5中还示出了在碰撞事件中的膝垫530的初始和变形的几何形状。碰撞事件的有限元分析结果被用于评估膝垫的设计目标。
为了实现图4-5所示的示范性产品的优化，每个有限元的材料密度被指定为所选择的设计变量。
根据一方面，本发明涉及一种或多种能够执行在此描述的功能的计算机***。计算机***600的例子在图6中示出。计算机***600包括一个或多个处理器，例如处理器604。处理器604连接到计算机***内部通信总线602。关于该示范性的计算机***，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***和/或计算机架构来实施本发明。
计算机***600还包括主存储器608，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器610。辅助存储器610包括例如一个或多个硬盘驱动器612和/或一个或多个可移除存储驱动器614，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器614用已知的方式从可移除存储单元618中读取和/或向可移除存储单元618中写入。可移除存储单元618代表可以由可移除存储驱动器614读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元618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610可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机***600。这样的机制包括例如可移除存储单元622和接口620。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)、可移除存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移除存储单元622和允许软件和数据从可移除存储单元622传递到计算机***600的接口620。通常，计算机***600由操作***(OS)软件控制和管理，操作***执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。
可能还设有连接到总线602的通信接口624。通信接口624允许软件和数据在计算机***600和外部设备之间传递。通信接口624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600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624将数据文件组合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合成原始的数据文件。此外，通信接口624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600的数据包。在这份文件中，用语“计算机程序媒介”和“计算机可用媒介”都用来指代媒介，例如可移除存储驱动器614和/或设置在硬盘驱动器612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***600的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。
计算机***600还包括输入/输出(I/O)接口630，它使得计算机***600能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、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606存储在主存储器608和/或辅助存储器610中。也可通过通信接口624接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机***600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604执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机***600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614、硬盘驱动器612、或者通信接口624加载到计算机***600中。应用模块606被处理器604执行时，使得处理器604执行如在此所述的本发明的功能。
主存储器608可被加载有一个或多个应用模块606，所述应用模块606可被一个或多个处理器604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630输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器604执行一个应用模块606时，结果被计算并存储在辅助存储器610(也就是，硬盘驱动器612)中。CAE分析或设计优化的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口630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，设计目标和变量的数量被图示为两个，实际上，大量的设计目标和变量已经被使用。设计约束的数量也可以很高。此外，虽然有限元分析已经被描述和图示为用于获得结构响应，但是其它类型的CAE分析(例如有限元分析或者无网格分析等)可被用于实现相同的目的。此外，虽然内部能量吸收能力已经被图示和描述为设计目标，但是其它类型的设计目标也可以被使用，例如，最大应力、最大位移等。虽然该方法论被证明用于拓扑优化，但是它也可以随其它的优化算法一起使用，例如形状和尺寸优化。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所附的权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种用于基于从时间推进模拟获得的模拟结构行为来执行产品的设计敏感度分析的方法，其特征在于，包括：
在其上安装有有限元分析应用模块的计算机***中接收表示产品的有限元分析模型，所述有限元分析应用模块被配置为使用显式和隐式求解方案并允许所述有限元分析模型在所述显式和隐式求解方案之间来回切换，所述有限元分析模型包括由多个有限元连接的多个节点；
通过在所述计算机***中使用所述有限元分析模型采用所述显式求解方案执行时间推进模拟，获得产品的模拟结构行为，所述时间推进模拟包括时间上的多个求解周期；以及
通过使用所述有限元分析模型采用所述隐式求解方案在各预定的求解周期执行一个或多个快照结构分析，来执行设计敏感度分析，所述一个或多个快照结构分析中的每一快照结构分析都基于在所述各预定求解周期获得的配置的模拟结构行为，其中所述设计敏感度分析包括感兴趣的结构响应相对所选择的设计变量的一个或多个偏导数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计敏感度分析的结果被用于改进产品。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述改进产品基于拓扑设计优化，所述选择的设计变量被指定为被改进产品中的每个有限元的材料密度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间推进模拟包括模拟一个或多个负荷条件，所述产品在所述负荷条件下被设计和优化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述产品包括汽车。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一个或多个负荷条件包括汽车碰撞。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述结构响应是汽车的使用者的脑部处的加速度。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述产品是汽车中的膝垫。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述结构响应是作用在所述汽车的使用者的膝盖上的力。
10.一种用于基于从时间推进模拟获得的模拟结构行为来执行产品的设计敏感度分析的***，其特征在于，包括：
主存储器，用于存储有限元分析应用模块的计算机可读代码，所述有限元分析应用模块被配置为使用显式和隐式求解方案并允许所述有限元分析模型在所述显式和隐式求解方案之间来回切换；
与所述主处理器相连的至少一个处理器，所述至少一个处理器执行所述主存储器中的计算机可读代码，使得所述有限元分析应用模块执行以下方法中的操作：
接收表示产品的有限元分析模型，所述有限元分析模型包括由多个有限元连接的多个节点；
通过在所述计算机***中使用所述有限元分析模型采用所述显式求解方案执行时间推进模拟，获得产品的模拟结构行为，所述时间推进模拟包括时间上的多个求解周期；以及
通过使用所述有限元分析模型采用所述隐式求解方案在各预定的求解周期执行一个或多个快照结构分析，来执行设计敏感度分析，所述一个或多个快照结构分析中的每一快照结构分析都基于在所述各预定求解周期获得的配置的模拟结构行为，其中所述设计敏感度分析包括感兴趣的结构响应相对所选择的设计变量的一个或多个偏导数。
11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述设计敏感度分析的结果被用于改进产品。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述改进产品基于拓扑设计优化，所述选择的设计变量被指定为被改进产品中的每个有限元的材料密度。
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