用于两个物体之间的碰撞事件的数值模拟中的动态定位的搜索域

技术领域

本发明总的涉及计算机辅助工程分析，更具体地涉及用于两个物体之间的碰撞事件的数值模拟中的动态定位的搜索域。

背景技术

计算机辅助工程(CAE)已经被用于在许多任务中支持工程师。例如，在产品的设计程序中，CAE分析，尤其是有限元分析(FEA)，已经经常被用于获得和评估各种负载条件(例如静态或者动态)下的模拟结构响应(例如，应力、位移等)。

FEA是一种计算机方法，广泛地用于工业中模拟(也就是，建模和求解)与复杂产品或系统(例如，汽车、飞机等)有关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名字源于所考虑的物体的几何形状被规定的方式。几何形状由有限元(或者单元)和节点定义。有许多类型的单元，实体单元用于体积和闭联集，壳或者板状单元用于表面，以及梁或者桁架单元用于一维结构物体。一个最具挑战性的任务与数值模拟两个物体之间的碰撞事件有关，例如，汽车耐撞模拟。

在汽车耐撞(例如，汽车撞到固定的障碍物)的时间推进的模拟中，汽车(由FEA模型表示)与障碍物之间的接触、以及FEA模型的有限元之间的自身接触必须被检测和处理，以实际地表示物理现象。随着现代计算机技术的进步，在汽车耐撞中使用的平均FEA模型已经变得比任何时候都大(例如，大于5百万个有限元)。采用实体单元的高精度网格(而不是在近年使用的壳或者梁单元)来建模铝铸零件已经变得很普遍。采用实体单元建模允许复杂的三维构成的失效模型；因此，在模拟的碰撞事件期间，采用实体单元表示的铝铸零件可以破碎产生分离的碎片，这些碎片在接触处理中相互作用。单片分离的碎片可以用一个或多个有限元表示。一旦分离的碎片移动远离主结构(也就是，汽车的FEA模型)，它不再影响模拟结果，但是可以随着用于接触的搜索域在体积上的持续增长而动态地增加运行时间。在模拟过程中，搜索域在全局空间中被修改，且被调整大小以容纳瞬时状态下的FEA模型。如果搜索域显著增长，与模拟中的其他任务相比，用来检测接触和跟踪已经从主结构断裂的有限元所需的计算机资源(例如，计算机处理时间)可以不相称地变大。在某些情况中，增加的计算时间可造成模拟是不切实际的(每次模拟通常需要采用整夜的执行来完成)。有效的接触管理的需要是非常明显的。

因此，期望有方法和系统，用于两个物体之间的碰撞事件的结构行为的数值模拟中的有效接触管理。

发明内容

本申请公开了在汽车耐撞的时间推进的数值模拟中使用动态定位的搜索域的系统、方法和软件产品。根据一方面，在其上安装有应用模块的计算机系统中接收表示第一物体的第一计算机模型和表示第二物体的第二计算机模型。执行所述第一物体和第二物体之间的碰撞事件的时间推进的数值模拟。基于用户规定的参数，建立搜索域，所述搜索域覆盖用于检测第一和第二物体之间的接触的感兴趣的三维空间。在时间推进的模拟的每个求解周期，因第二模型变形，所述搜索域被重新定位。在时间推进的数值模拟中获得的结构行为包括来自所述搜索域中的检测到的接触的影响。

所述第二模型可以是采用由有限元连接的多个节点定义的有限元分析(FEA)模型。从所述FEA模型断裂且位于所述搜索域之外的任何碎片(由一个或多个有限元表示)都在进一步的接触检测中被排除。此外，落到搜索域之外的、包含在该碎片中的有限元被从模拟的计算中删除。如果分离的碎片与搜索域的边界相交，可以由用户定义的选项来控制所述删除或者包括。

在一个实施例中，所述第一物体是固定的障碍物，而所述第二物体是汽车。搜索域覆盖所述第一和第二物体的至少一部分。

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、特征和优点将会变得显而易见。

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在两个物体之间的碰撞事件的时间推进的数值模拟中使用动态定位的搜索域的示范性过程的流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的采用两个不同的搜索域的汽车正面撞击到固定的障碍物的俯视图；

图3是根据本发明的一个实施例的汽车偏移撞击到障碍物的俯视图；

图4是根据本发明的一个实施例的汽车撞击到固定障碍物的撞击事件的侧视图；

图5是根据本发明的一个实施例的在偏移撞击事件中撞击到固定的障碍物的汽车的时间推进的模拟结果的透视图；

图6是示范性的计算机系统的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在该计算机系统中实施。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的在两个物体之间的碰撞事件的时间推进的数值模拟中使用动态定位的搜索域的示范性过程100的流程图。过程100优选结合其他附图理解，且在软件中实施。

过程100开始于步骤102，在计算机系统(例如，图6所示的计算机600)中接收表示第一物体的第一计算机模型和表示第二物体的第二计算机模型。在一个实施例中，第一物体是固定的障碍物，第二物体是汽车。第二计算机模型可以是采用由有限元连接的多个节点定义的有限元分析(FEA)模型。应用模块(例如，FEA应用模块)安装在计算机系统上。

接下来，在步骤104，由应用模块基于用户规定的参数建立将用于第一和第二物体之间的碰撞事件的时间推进模拟中的搜索域。搜索域覆盖用于检测接触或者潜在的接触的感兴趣的三维空间。所述三维空间通常覆盖第一计算机模型的至少一部分和第二计算机模型的至少一部分。接触可能发生在第一和第二物体之间。接触(或者有时候被称为自身接触)也可以发生在FEA模型的有限元之间。用户规定的参数包括搜索域的物理特征(也就是，几何形状、大小或者尺寸)、以及搜索域相对于第二模型的物理位置(也就是，中心和方向)。一个示例的碰撞事件是汽车撞击到固定的障碍物(也就是，第二物体碰撞到第一物体)。

图2示出了汽车210正面撞击到固定的障碍物220，采用两个不同大小的搜索域231-232。第一搜索域231覆盖整个汽车210，而第二搜索域232仅覆盖汽车210的一部分和障碍物220的一部分。

图3示出了汽车310偏移撞击到障碍物320。最初在第一位置330a建立搜索域，接下来在之后的时间重新定位到第二位置330b。如图4所示，是碰撞到固定的障碍物420的汽车410a和410b的侧视图。搜索域最初在第一位置430a，并重新定位到第二位置430b。搜索域与变形的汽车对准。搜索域的大小在整个时间推进的模拟中保持不变。

接下来，在步骤106，通过执行第一和第二物体之间的碰撞事件的时间推进的数值模拟，获得模拟的结构行为。在时间推进的模拟过程中的每个求解周期，因FEA模型变形，搜索域被重新定位。重新定位可以采用各种方法来实现。例如，可以采用局部坐标系统来重新定位搜索域，该局部坐标系统采用FEA模型中的选定节点来定义。然后局部坐标系统可随着变形的FEA模型的节点的新位置而转换和/或旋转。

模拟的结构行为包括在搜索域中检测到的接触的影响。已经从FEA模型断裂且位于搜索域之外的任何碎片都被排除在进一步的接触考虑中，表示该碎片的有限元被从时间推进的模拟的计算(例如，单元应力/应变计算)中删除，以进一步减少计算成本。碎片来源于由于碰撞事件而导致的结构失效。例如，发动机缸体的一部分或者保险杠的一部分可以是碎片状的。

图5是撞击到障碍物的汽车的时间推进的模拟结果的透视图。换句话说，数值模拟的图形显示来源于数值模拟的撞击事件的有限元分析。在模拟中包括两种结构：汽车510和障碍物520。搜索域530(示为由虚线表示的盒体)在它的中心处附加到汽车510上，且可以采用局部坐标系统550(由三个粗线箭头指示)重新定位。几个示例性的碎片被图示。碎片570位于搜索体积(搜索域)530中，而碎片580位于搜索体积530之外。

碎片590位于搜索体积的边界上。在一个实施例中，可以由用户来定义与搜索体积的边界相交的碎片的处理，例如用户定义的输入选项以包括或者排除。

根据另一方面，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系统。计算机系统600的例子在图6中示出。计算机系统600包括一个或多个处理器，例如处理器604。处理器604连接到计算机系统内部通信总线602。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系统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传递到计算机系统600的接口620。通常，计算机系统600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602的通信接口624。通信接口624允许软件和数据在计算机系统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系统600的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。

计算机系统600还包括输入/输出(I/O)接口630，它使得计算机系统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，使得计算机系统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系统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加载到计算机系统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。有限元分析的状态以文本或者图形的方式通过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，虽然感兴趣的三维空间被图示和描述为盒体，但是可以使用其它的几何形状以实现相同的目的，例如球体。此外，虽然碎片已经图示和描述为立方体形，但是可以由一个或多个有限元表示为其它形状以实现相同的目的，例如不规则形状。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。