专利名称：多孔材料中的气流的数字模拟方法
技术领域：
本发明涉及计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及在有限元分析中对多孔材料 中的气流进行的数字模拟。
背景技术：
有限元分析(FEA)是一种计算机实施的方法，使用数字技术来寻找偏微分方程的 合适解法，所述偏微分方程代表三维非线性结构设计和分析之类的复杂系统。FEA源自用 于解决土木和航空工程中的复杂弹力和结构分析问题的需求。随着计算机技术的进步，FEA 已经变成了辅助工程师和科学家在改进结构设计(例如，汽车、飞机等)时作出决策的重要 工具。当在解决物理问题甚至是时域中的事件时应用FEA，它指的是时间推进模拟。通常， 时间推进模拟包括多个解法周期。在每个解法周期获得FEA结果或者解法，作为总模拟在 特定时间的快照(snap-shot)。FEA最有挑战性的任务之一就是模拟撞击事件，例如汽车碰撞。汽车碰撞模拟的目 的是确保更好的汽车驾驶者的安全。为了实现该目标，模拟不仅必须包括汽车特性，还包括 驾驶者的反应(例如，假人模型)和其他安全设备(例如，座椅安全带、安全气袋等)。随着 现代计算机系统的进步，所有的模拟都可以包括所有上述安全特征。汽车驾驶者的座垫和 门饰板通常包含泡沫材料，该泡沫材料可以采用特定类型的机械特性(例如，对应压力和 应力关系的构成等式)而成型。但是泡沫材料中通常包括孔隙空气。在碰撞事件中，孔隙 空气被挤压从而产生附加的空气压力，这将会改变座椅和门饰板的结构响应或者性能，而 这些被认为是对于侧面碰撞来说很关键的部件。当要求进行驾驶者的实际模拟时，该性能 变得很重要。现有技术中没有方法可以满足该要求。因此，期望有一种用于数字模拟多孔材料中的气流并计算孔隙气压的方法，使得 可以实现对部分由多孔材料制成的工程产品的更实际的时间推进模拟。这种方法允许工程 师研究孔隙空气对结构响应的影响，然后优化多孔材料的设计。
发明内容
本发明涉及用于数字模拟多孔材料中的气流并计算孔隙气压的系统和方法。根据 本发明的一方面，工程产品由有限元分析模型表示，该有限元分析模型包括部分具有渗透 性的多孔材料。在时间推进模拟的每个解法周期中，采用气流并结合传统的机械响应，来评 估多孔材料制成的每个单元。每个单元的体积变化导致不同的空气孔隙压力，因此产生压 力梯度，其进而被用于根据渗流定律(fluid seepage law)计算的空气流，其中该渗流定律 取决于多孔材料的渗透性。因此，可以实现对多孔材料的结构特性的更实际模拟。根据本发明的另一实施例，使用理想气体定律(ideal gas law)来评估每个多孔 材料单元的体积变化和压力。达西定律(Darcy’ s law)的通用形式包括用户控制参数，用 于基于压力梯度和渗透性来评估气流。通过以下结合附图对具体实施方式
的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点
4将会变得显而易见。
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、数字模拟多孔材料中的气流的示范性过程的流程 图；图2是根据本发明的一个实施例、不同类型的多孔材料的示意图；图3A-3B是表示初始和变形状况下的多孔材料的两种示范性有限元的示意图；图4是根据本发明的实施例、可用于评估多孔材料内的压力和气流的示范性方程 式的示意图；以及图5是计算机设备的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在该计算机设备中 实施。
具体实施例方式参照图1，是根据本发明的实施例、在有限元分析(FEA)中数字模拟多孔材料中的 气流的示范性过程100的流程图，该有限元分析用于辅助用户(例如，工程师或者科学家) 在改进工程产品(例如，汽车或者它的一个组件，等)的过程中作出决策。过程100优选在 软件中实施。过程100从步骤102开始，在计算机系统(例如，图5的计算机500)中接收FEA模 型形式的工程产品的定义。该FEA模型包括多个单元，这多个单元包括复数个多孔材料单 元。例如，汽车可能由FEA模型表示，具有表示汽车主体的多个壳单元、一组多孔材料单元 和其它单元。通常，多孔材料可以被定义为特殊类型的单元，例如，泡沫。此外，多孔材料与 渗透性有关，渗透性指示其中的气流特性。例如，图2示出了两种不同的多孔材料202-204。 这两种材料可以包括不同的机械性能(也就是，应力-应变关系)和渗透性。接下来，在步骤104，过程100使用其内安装有FEA应用模块的计算机系统中的 FEA模型，开始对工程产品进行时间推进模拟。时间推进模拟包括多个解法周期。在每个 解法周期，计算一时间段内在某种负荷情况下的结构特性。在步骤106，过程100更新FEA 模型中每个单元的节点速度和坐标。在模拟开始时，节点速度和坐标是用户规定的初始值。 接下来，在步骤108，使用节点坐标更新每个单元的体积和密度。图3A-3B分别示出了初始状况和变形状况下的两种多孔材料。第一和第二单元 302a-b处于力301(例如，初始负载、初始加速度等)的作用下。第一单元302a之后(也 就是，下一个解法周期)被挤压变形，如图3B中变形的元件304a所示。在非常短的时间段 内，第二单元302b保持不变形。在每个解法周期，更新变形的第一单元304a的节点速度和 坐标、以及体积。第一单元302a内的气包(air packet)被挤压成不同的形状，如变形的单 元304a所示。由于每个多孔材料单元中的体积变化，在步骤110可确定孔隙气压。例如，可使用 理想气体定律来确定体积变化导致的压力。图4所示的等式402是理想气体定律，其中“ρ” 是压力，“V”是体积，“T”是绝对温度，“η”是摩尔量，“R”是孔隙空气的气体常数。对于非
5常短的时间段，例如两个连续解法周期之间的时间段，绝对温度“T”可以被假定为相同的。 因此，可以确定压力“P”和体积“V”。在步骤112，根据每个单元的更新后的压力，计算每对相邻的多孔材料单元之间的 压力梯度。接下来，在步骤114，可以根据渗流定律确定出多孔材料单元之间的气流，该渗流 定律取决于多孔材料的渗透性和压力梯度。等式404是渗流定律的通用形式，允许三个用户定义的参数(α、β和τ )来控制 多孔材料中气流的特性。等式404中，“Q”是多孔材料中的渗流流量，“P”是压力，“▽ ρ”是 压力梯度，“k”是多孔材料的渗透性。每个用户定义的参数都介于0和1之间，例如，当α 设置为1，β和τ设置为0时，等式404变成达西定律。在步骤116，过程100更新每个多孔材料单元的空气质量，以反映单元之间的气 流。接下来，在判断步骤118，确定时间推进的模拟是否已经结束。如果“否”，过程100返 回步骤106，重复步骤106-116，以进行另一个解法周期。否则，过程100结束。根据一方面，本发明涉及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机系统。计 算机系统500的例子在图5中示出。计算机系统500包括一个或多个处理器，例如处理器 504。处理器504连接到计算机系统内部通信总线502。关于该示范性的计算机系统，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 机系统和/或计算机架构来实施本发明。计算机系统500还包括主存储器508，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助 存储器510。辅助存储器510包括例如一个或多个硬盘驱动器512和/或一个或多个可移 除存储驱动器514，它们代表软磁盘机、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器 514用已知的方式从可移除存储单元518中读取和/或向可移除存储单元518中写入。可 移除存储单元518代表可以由可移除存储驱动器514读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可 以理解，可移除存储单元518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510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系统500。这样的机制包括例如可移动存储单元522和接口 520。 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 移动存储芯片(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PR0M)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元522和允许软件和数据从可移动存储 单元522传递到计算机系统500的接口 520。通常，计算机系统500由操作系统(OS)软件 控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。可能还设有连接到总线502的通信接口 524。通信接口 524允许软件和数据在计 算机系统500和外部设备之间传递。通信接口 524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500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 524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 524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500的数据包。在这份文件中，术语“计算机可记录存储媒介”、“计算机可记录媒介”以及“计算机可读媒介”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器514和/或设置在硬盘驱动器512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系统500的手段。本发明涉及这样 的计算机程序产品。计算机系统500还包括输入/输出(I/O)接口 530，它使得计算机系统500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506存储在主存储器508 和/或辅助存储器510中。也可通过通信接口 524接收计算机程序。这样的计算机程序被 执行时，使得计算机系统500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504执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统500 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 用可移动存储驱动器514、硬盘驱动器512、或者通信接口 524加载到计算机系统500中。应 用模块506被处理器504执行时，使得处理器504执行如在此所述的本发明的功能。 主存储器508可被加载一个或多个应用模块506，所述应用模块506可被一个或多 个处理器504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 530输入 的用户输入。在运行中，当至少一个处理器504执行一个应用模块506时，结果被计算并存 储在辅助存储器510 (也就是，硬盘驱动器512)中。有限元分析(例如，汽车抗撞击)的状 态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口报告给用户。 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，虽然多孔材料图示和描述为泡沫，但是也可以使用其它类型的多孔材 料，例如海绵。此外，虽然流动量规则被描述为达西规则，但是也可以使用其它类型的经验 式，例如，物理实验或者测试的结果。最后，虽然已经描述了理想气体的规则用于空气，但是 也可以使用用于其它类型流体的其它控制规则和关系。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 神和范围以及后附权利要求的范围内。
权利要求
一种在有限元分析中数字模拟多孔材料中的气流的方法，所述有限元分析用于辅助用户在改进工程产品的过程中作出决策，其特征在于，所述方法包括(a)在计算机系统中接收有限元分析模型形式的工程产品的定义，该有限元分析模型包括由多孔材料制成的多个单元；(b)在其内安装有有限元分析应用模块的所述计算机系统中使用有限元分析模型开始时间推进模拟，所述时间推进模拟包括多个解法周期；(c)在每个解法周期，计算一组结构响应，该组结构响应包括每个由多孔材料制成的单元的更新后的空气孔压；(d)根据渗流定律，更新所述每个单元的更新后的空气质量，包括所述多个单元中两个相邻单元之间的气流的影响，其中所述渗流定律取决于所述多个单元中两个相邻单元的压力梯度、以及多孔材料的渗透性；(e)重复(c)和(d)，直至时间推进模拟结束；以及(f)在与所述计算机系统相连的输出设备上显示所期望的任何或所有解法周期的时间推进模拟的结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元分析模型包括用于设计所述 工程产品的负载状况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述更新后的孔隙气压基于所述每个单 元的密度和体积。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述体积从所述每个单元的质量计算得到。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括更新所述每个单元的节点速度和 坐标。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渗流定律包括达西定律。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渗流定律被配置成包括至少一个用 户定义的参数，用于控制气流的各种特性。
8.一种计算机可记录的存储媒介，其特征在于，包括控制计算机系统通过以下方法在 有限元分析中数字模拟多孔材料中的气流的指令，其中所述有限元分析用于辅助用户在改 进工程产品的过程中作出决策(a)在计算机系统中接收有限元分析模型形式的工程产品的定义，该有限元分析模型 包括由多孔材料制成的多个单元；(b)在其内安装有有限元分析应用模块的所述计算机系统中使用有限元分析模型开始 时间推进模拟，所述时间推进模拟包括多个解法周期；(c)在每个解法周期，计算一组结构响应，该组结构响应包括每个由多孔材料制成的单 元的更新后的空气孔压；(d)根据渗流定律，更新所述每个单元的更新后的空气质量，包括所述多个单元中两个 相邻单元之间的气流的影响，其中所述渗流定律取决于所述多个单元中两个相邻单元的压 力梯度、以及多孔材料的渗透性；(e)重复(c)和(d)，直至时间推进模拟结束；以及(f)在与所述计算机系统相连的输出设备上显示所期望的任何或所有解法周期的时间推进模拟的结果。
9.根据权利要求8所述的计算机可记录的存储媒介，其特征在于，所述有限元分析模 型包括用于设计所述工程产品的负载状况。
10.根据权利要求8所述的计算机可记录的存储媒介，其特征在于，所述更新后的孔隙 气压基于所述每个单元的密度和体积。
11.根据权利要求10所述的计算机可记录的存储媒介，其特征在于，所述体积从所述 每个单元的质量计算得到。
12.根据权利要求10所述的计算机可记录的存储媒介，其特征在于，还包括更新所述 每个单元的节点速度和坐标。
13.根据权利要求8所述的计算机可记录的存储媒介，其特征在于，所述渗流定律被配 置成包括至少一个用户定义的参数，用于控制气流的各种特性。
14.一种在有限元分析中数字模拟多孔材料中的气流的系统，所述有限元分析用于辅 助用户在改进工程产品的过程中作出决策，其特征在于，所述系统包括主存储器，用于存储有限元分析应用模块的计算机可读代码；与所述主存储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内的 计算机可读代码，使得所述有限元分析应用模块执行以下操作(a)在计算机系统中接收有限元分析模型形式的工程产品的定义，该有限元分析模型 包括由多孔材料制成的多个单元；(b)在其内安装有有限元分析应用模块的所述计算机系统中使用有限元分析模型开始 时间推进模拟，所述时间推进模拟包括多个解法周期；(c)在每个解法周期，计算一组结构响应，该组结构响应包括每个由多孔材料制成的单 元的更新后的空气孔压；(d)根据渗流定律，更新所述每个单元的更新后的空气质量，包括所述多个单元中两个 相邻单元之间的气流的影响，其中所述渗流定律取决于所述多个单元中两个相邻单元的压 力梯度、以及多孔材料的渗透性；(e)重复(c)和(d)，直至时间推进模拟结束；以及(f)在与所述计算机系统相连的输出设备上显示所期望的任何或所有解法周期的时间 推进模拟的结果。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述更新后的孔隙气压基于所述每个 单元的密度和体积。
全文摘要
本发明涉及用于数字模拟多孔材料中的气流的系统和方法。根据本发明的一方面，工程产品由有限元分析模型表示，该有限元分析模型包括部分具有渗透性的多孔材料。在时间推进模拟的每个解法周期中，采用气流以及传统的机械响应，来评估多孔材料制成的每个单元。每个单元的体积变化导致不同的空气孔隙压力，因此产生压力梯度，其进而来被用于根据渗流定律计算的空气流，其中该渗流定律取决于多孔材料的渗透性。因此，可以实现对多孔材料的结构特性的更实际模拟。使用理想气体定律来评估每个多孔材料单元的体积变化和压力。达西定律的通用形式包括用户控制参数，被用于基于压力梯度和渗透性来评估气流。
文档编号G06F17/50GK101950314SQ20101022722
公开日2011年1月19日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年7月8日
发明者叶益盛 申请人:利弗莫尔软件技术公司