用于对模塑复合材料的变形进行建模的方法及系统与流程

本发明总体上涉及模塑复合材料，并且更具体地涉及用于对模塑复合材料的变形进行建模的方法及系统。

背景技术：

压缩模塑为一种模塑方法，其中模塑材料(通常预加热)首先放置在开放的热模腔中。模具用上阳模或插塞构件关闭，施加压力以迫使材料与全部模具区域接触，同时，保持加热和压力直到模塑材料硬化(例如，对于热固性树脂)或冷却(例如，对于热塑性塑料)为止。

这种模塑方法用于制造汽车部件(例如，引擎罩、挡泥板、通风口、扰流器以及更小的更复杂的部件)和许多用于各种其它行业(例如，其它汽车行业、船只行业、工业行业、玩具行业等等)的其它类型的部件。在一个实例中，将待模塑的材料放置在模腔中，并且通过水锤泵关闭加热的压板。块状模塑料(BMC)或片状模塑料(SMC)通过施加压力与模具形状一致，并加热直到发生固化反应为止。SMC进料材料通常被切割以与模具的表面区域一致。随后，将模具冷却，并移除部件。

在一些情况下，在冷却过程中，部件的尺寸可能(例如)通过收缩或其它变形改变。在此类情况下，必须重新设计模具以解决该改变。模具的反复重新设计可能不仅耗时，且成本高。该设计的一个或多个方面的计算机建模可以节省时间和/或降低成本。

因此，期望提供用于生成模具的计算机模型的方法及系统。还期望提供用于对计算机模型的变形进行建模的方法及系统。此外，通过随后结合附图和本发明的背景技术对本发明和所附属权利要求的详细描述，本发明的其它期望特征和特性将显而易见。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于生成模具的方法及系统。在一个实施例中，一种方法包括：通过处理器确定在部件中的多个点的纤维定向；基于纤维定向，通过处理器确定变形值；以及，基于变形值，通过处理器生成模具尺寸。

在一个实施例中，一种系统包括非暂态计算机可读介质。非暂态计算机可读介质包括第一模块，所述第一模块通过处理器确定部件中的多个点的纤维定向。非暂态计算机可读介质进一步包括第二模块，所述第二模块基于纤维定向通过处理器确定变形值。非暂态计算机可读介质进一步包括第三模块，所述第三模块基于变形值通过处理器确定模具尺寸。

附图说明

下面将结合以下附图描述本发明，其中相同的数字表示相同的元件，并且：

图1为根据各种示例性实施例说明模具生成系统的功能框图；

图2为根据各种示例性实施例说明模具生成系统的变形预测系统的功能框图；

图3A和图3B为根据各种示例性实施例的材料和模具的图示；以及

图4为根据各种示例性实施例生成模具的方法的流程图。

具体实施方式

以下的详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制应用以及用途。此外，不旨在限制于前述的技术领域、背景技术、发明内容或者以下的详细描述中提出的任何表述的或暗示的理论。应理解，在整个附图中，相应的参照数字表示相同的或相应的部件和特征。如本文所使用，术语模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或群组) 和/或实行或存储一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或其它适合的提供描述的功能性的组件。

本发明的实施例可在本文中在功能和/或逻辑模块组件和各种处理步骤方面进行描述。应理解，此类块组件可通过任何数量的配置成执行具体功能的硬件、软件和/或固件组件来实现。例如，示例性实施例可采用各种集成电路组件(例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等)，其可以在一个或多个微处理器或者其它控制装置的控制下进行各种功能。另外，本领域技术人员应理解，示例性实施例可结合任何数量的控制系统来实践。

为简明起见，在本文中可能没有详细描述与信号处理、数据传输、信号发送、控制和系统的其它功能方面(以及系统的独立操作组件)相关的常规技术。此外，在本文包含的各幅图中示出的连接线旨在表示在各种元件之间的示例功能关系和/或物理耦接。应注意，在各个实施例中可出现多种替代或附加的功能关系或物理连接。

现在参照图1，功能框图根据各种实施例说明了执行模具生成过程的模具生成系统10。如可以理解，模具生成系统10生成用于产生部件的模具。该部件可以是用于任何行业。为了示例性的目的，将在用于汽车部件的模具生成系统10的环境中讨论本发明的实例。

如可理解，虽然本文示出的附图描绘具有某些元件布置的实例，但是在实际实施例中也可以存在另外的插入元件、装置、特征或组件。还应当理解，图1仅仅是说明性的且不一定按任何类型的比例绘制。

如图1所示，模具生成系统10包括初始模具设计系统12、模具调整系统14、模具形成系统16、部件生成系统18和部件评估系统20。在各个实施例中，系统12至系统20中的一个或多个包括具有处理器和存储器的计算机以及在计算机上实施的软件指令。即，软件指令存储在存储器中；且软件指令由处理器实行以执行系统的一个或多个功能。在各个实施例中，系统12至系统20中的一个或多个包括用于产生物理模具或物理部件的机电组件。

在操作中，模具生成系统10基于部件的期望尺寸生成模具尺寸。例如，期望部件尺寸22可以在由计算机辅助设计(CAD)系统或用于设计部件的其它系统生成之后被供应到初始模具设计系统12。初始模具设计系统12基于期望部件尺寸22生成初始模具尺寸24。

模具调整系统14接收初始模具尺寸24。模具调整系统14调整初始模具尺寸24以补偿在部件形成之后发生在部件中的预测变形和/或实际变形。已调模具尺寸26被提供到模具形成系统16。模具形成系统16基于已调模具尺寸26生成物理模具28。

部件生成系统18使用物理模具28形成物理部件30。在各个实施例中，部件生成系统18将模具28的下部部件放置在支撑结构上；待模塑材料定位在下部模具28的模腔中。将模具28的上部部件下降到模具的下部部件，由此对材料施加热量和压力直到发生由于冷却导致的固化反应或凝固为止。移除部件30。

部件评估系统20接收模塑的部件30并且评估部件30。具体地说，部件评估系统20比较部件30的实际尺寸与期望部件尺寸22。部件评估系统20基于发生的与初始部件设计的任何偏差向模具形成系统16和/或模具调整系统14提供反馈。例如，部件评估系统20向模具形成系统16或模具调整系统14提供调整值32以进一步调整模具尺寸以补偿变化。

在各个实施例中，模具调整系统14包括变形预测系统34。变形预测系统34是用于预测部件的变形的基于计算机的系统。变形预测系统34基于零件的估计机械和热性质来预测变形。变形预测系统34基于部件的复合材料的已确定纤维定向来估计机械和热性质。变形预测系统34使用(例如)仿射变换方法或其它方法来确定纤维定向。

预测的变形接着由模具调整系统14使用以调整初始模具尺寸24。例如，在与预测变形相反的方向上调整初始模具尺寸24。通过将变形预测系统34包括在模具调整系统14中并且在生成部件30之前预测部件的变形，减少通过模具生成过程的重复次数，由此节省时间并且降低成本。

现在参考图2并且继续参考图1，功能框图示出变形预测系统34的各 个实施例。根据本发明，变形预测系统34的各个实施例可以包括任何数量的子模块。如可理解，图2所示的子模块可以组合和/或进一步分割以类似地预测部件的变形。在各个实施例中，变形预测系统34包括定向预测模块40、材料建模模块42、热性质确定模块44、机械性质确定模块46和冷却模块48。

定向预测模块40接收期望的部件尺寸22和初始模具尺寸24作为输入。给定期望部件尺寸22和初始模具尺寸24，定向预测模块40生成纤维定向模型50，所述纤维定向模型50指示在部件中的每个点(或点的子集)的纤维定向。例如，如图3A和图3B所示，定向预测模块40确定在材料82(或待模塑的复合材料)的平板中的点80并且将点80映射到在模具86中的点84。定向预测模块40接着基于在点80和点84两个点之间计算的仿射变换确定材料当在所述点84处成形时所述材料的纤维定向。所述点的纤维定向接着被映射到部件的点。纤维定向模型50接着包括部件的每个点(或点的子集)的已映射纤维定向。

材料建模模块42接收纤维定向模型50作为输入。材料建模模块42确定部件的每个点(或点的子集)的材料性质。例如，材料建模模块42确定表示，例如，部件的每个点(或点的子集)的厚度、密度、强度、延展性、硬度或其它性质的材料值。材料建模模块42生成将部件的每个点(或点的子集)的材料值与的纤维定向联系材料和纤维定向模型52。

热性质确定模块44接收材料和纤维定向模块52作为输入。热性质确定模块44基于在材料和纤维定向模型52中限定的材料值和纤维定向来计算部件的热性质54。例如，Schapery模型或其它模型可用于从组成性质和纤维定向状态计算复合材料的热膨胀性质。

机械性质确定模块46接收材料和纤维定向模块52作为输入。机械性质确定模块46基于在材料和纤维定向模型52中限定的材料值和纤维定向来计算各种机械性质56。例如，包括来自Halpin-Tsai、Mori-Tanaka等的各种微观力学模型可以用于从组成性质和局部纤维定向状态计算复合材料的机械性质。

冷却模块48接收估计的热性质54、估计的机械性质56以及代表最终 部件的网格数据。冷却模块48基于估计的热性质54、估计的机械性质56、代表最终部件的网格数据以及一种或多种冷却技术来生成一个或多个预测的变形值58。例如，热性质54和空气传热系数被提供给基于部件在空气中的冷却来预测变形值的冷却方法。在另一个实例中，热性质54以及空气和钢传热系数被提供给基于一侧与模具接触的部件的冷却来预测变形值的冷却方法。在另一个实例中，热性质54和钢传热系数被提供给基于两侧均与模具接触的部件的冷却来预测变形值的冷却方法。在另一个实例中，机械性质56被提供给基于在自由状态下的部件的冷却来预测变形值的冷却方法。随着初始加料被加热、模塑和冷却以制造最终希望部件，在实践中冷却方法可以是所有以上方法的组合。如应该理解，其它公知的冷却方法可以在各个实施例中实施。

现在参照图4，并继续参照图1和图2，流程图示出了可以由根据各个实施例的模具生成系统10执行的方法100。如根据本发明应当理解，在本方法内的操作顺序不限于如图4所示的顺序实行，但可以一个或多个变化顺序(如果可适用)并根据本发明来执行。

在一个实例中，方法可在105处开始。在110处，接收包括所期望部件尺寸22(例如，二维、三维等)的部件设计。在120处，确定在部件设计中的每个点(或一定数目的点)的纤维定向，且生成纤维定向模型。如果部件设计以二维方式提供，则在二维中的每个点的所确定的纤维定向被映射到三维，如120的子步骤。

在130处，确定在部件中的每个点(或一定数目的点)的材料性质并映射到纤维定向。然后在140处，基于纤维定向和材料性质估计部件的热性质。然后在150处，基于纤维定向和材料性质估计部件的机械性质。然后在160处，将热性质和机械性质用于预测部件的变形。

然后在170处，将所预测的变形值用于确定已调整的模具尺寸26。在180处，基于已调整的模具尺寸26制造物理模具28。在190处，使用物理模具28制造部件30。在200处，基于初始部件设计冷却或固化并评估部件30。如果在200处部件30脱离初始部件设计，则在210处评估部件30并确定调整值32。在170处，将新调整值32用于生成新的已调整的模 具尺寸26。

在210处，该方法继续反复通过步骤170至步骤200直至部件30不偏离(或者偏差小于预定值)初始部件设计。在200处，一旦该部件不偏离初始部件设计(或者偏差小于预定值)，则模具设计过程100结束，且该方法可在220处结束。

尽管在以上详细描述中，已举出至少一个示例性实施例，但应理解存在大量的变更。还可以理解，该示例性实施例或这些示例性实施例仅仅是实例，不旨在以任何方式来限制本发明的范围、应用或配置。相反，前文的具体实施方式将实施该示例性实施例或这些示例性实施例的便利的路线图提供给本领域技术人员。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其法律等效物所阐述的本发明范围的情况下，可以对元件的功能和布置作出各种改变。