专利名称：采用混合模型进行过程模拟的设备和方法
技术领域：
本发明一般地涉及过程模拟和分析的方法。更具体地说，本发明涉及采用一种多维模型而对喷射模塑进行模拟。
背景技术：
制造商在设计各种各样的产品时常使用过程分析和结构分析，这些产品包括消费品、汽车零部件、电子设备，以及医学器械。在研制一种特定的产品时模拟或者说为制作过程建模往往是很有好处的。制作过程的计算机模拟可精确地预测各过程变量和/或产品结构方面的变化是如何影响生产的。通过进行过程模拟，由于计算机建模可减少对于实验试配的需求，所以设计者可以明显地减少研制产品所需的时间和成本。计算机辅助过程模拟在早期设计阶段就可为各过程参数和产品结构的优化提供条件，从而可以更快地并且更低成本地进行各种修改。
制造商也可利用建模法预测已制成产品的各种结构品质，诸如产品在制成后将如何对内力和外力作出反应。结构模型可用于，例如，预测模制产品中的残余应力可如何导致产品翘曲。由于在实际实施之前可对许多预期的设计方案进行测试，所以结构模型也有助于对产品进行设计。与生产和测试实际样机相关的耗时的试配工作可以大为减少。
目前，对于独特设计的部件的需求正日益增加。在塑料生产领域中尤其是这样，在该领域中可利用诸如喷射模塑、压缩模制、热成形、挤压成形、等等各种过程将适用的独特材料制成无数的结构。在使用由纤维充填材料、复合材料和其他专用材料制成的以及为特殊用途定制的零部件的生产过程中，也确实如此。
在这些领域中进行过程和结构分析带来了巨大的挑战。例如，对于具有复杂几何形状的产品的需求正日益增加。为了对具有复杂几何形状的产品的模制过程进行正确的建模，模具必须由模型的解答域适当地予以表征。涉及具有复杂几何形状的部件的建模过程，与涉及具有简单几何形状的部件的建模过程相比，明显需要更多的计算时间和计算机资源。
另外，喷射模塑的塑料是粘弹性的并且可能具有高度的热变和剪变性质。这些复杂情况进一步加大了涉及塑料部件的过程和结构模拟的计算困难。考虑到接受加工的材料不断变化的一些特性，具有普适性的支配方程必须在复合域内求解。这些方程在复合域内的解析解一般是无法取得的；因而，必须寻求数值解。
在解析解是无法取得的情况下，计算机模型可利用数值方法对复合几何区域内支配方程的精确解进行近似。一种喷射模型过程的模型可以包括，例如，状为模具内腔的解答域，该域经离散化以使在解答域内适用的支配方程的解能够进行精确的数值近似。
过程模型往往通过采用具有简单几何形状的解答域来模拟具有复杂形状的模具，从而减少所需的计算时间和计算机资源。例如，某些喷射模塑过程模拟器采用二维(2D)解答域以简化真实的、三维(3D)模具的几何形状，从而大大地降低了计算的复杂性。许多这种模拟器采用一种希尔一肖(Hele-Shaw)解法，其中在厚度方向的压力变化和液流被假定是零。这些“2.5D”的模型一般对于模拟具有相对简单几何形状的薄壁部件是有利的。不过，在具有较厚部分或复杂几何形状的部件中，喷注的材料在所有三个方向上流动，而传统的薄壁假设不适用，从而使2.5D分析不宜于使用。
当前的喷射模塑过程的3D模型不进行薄壁假设，而是在三维解答域内求解本构方程。这些模型在计算上很复杂，比起较为简单的2.5D模型，一般明显需要较大的计算机资源和计算时间以进行过程模拟。喷射模塑过程的三维模型一般利用一种有限元的方案，其中模具的几何形状由3D单元的网格予以模拟。单元大小，或者进行离散化都需要根据解答域的几何形状和各种过程条件对给定过程进行精确的建模。一个3D网格的生成并非小事，并且目前尚不存在为给定应用条件下自动地生成适当3D网格的一致方法。
确定用于2.5D的、基于Hele-shaw的模型的适当网格也同样并不简单。例如，一般必需确定一表示薄壁部件中面的表面，然后使用许多三角形或四面体单元形成网格直至达到适当的厚度。因而，在界定解答域几何形状之后必须再添加确定中面表面的步骤。
许多生产出的部件具有至少是薄壁或壳状的某一部分，该部分易于采用2.5D模型进行模拟。不过，许多这些部件也具有一个或多个较厚或复杂的部分，在这些部分中2.5D假定不能成立，从而使得整个分析不精确。人们可以采用3D模型更加全面地对既具有较厚也具有较薄部分的部件的加工进行模拟。不过，3D模型的计算复杂性远大于2.5D模型，从而增加了分析所需的时间和计算机资源。
此外，3D模型必须进行离散化这种方法还会降低用于具有薄部的部件的3D处理模型的效率。例如，模制部件的一般较薄部分可具有大约2mm的厚度，而该较薄部分的长度可能为几百毫米。在模制过程中，跨过较薄部分厚度的热梯度通常较大，或许是每毫米几百度，而沿着这部分的长度(横交于厚度)的温度梯度可以是极低的。相反，在厚度方向上的压力剃度通常是很低的，而横向方向上的压力梯度非常高。在至少两个方向上的这些性质-跨过厚度的温度和沿着长度的压力-的高变动性需要一个具有许多节点的很密的网格，以便获得精确的过程模拟，从而增大了计算的复杂性。因此，由于所需的密集离散化，所以对包含厚部和薄部二者的典型部件进行精确地3D模拟所需的时间可能多达一天或一天以上并且可能需要巨大的计算机资源。
混合模拟可在给定部件的相对较薄区域中求解简化的流动方程，也可在其他区域求解比较复杂的流动方程。混合模拟可减小与完全3D模型相关的计算复杂性，同时提高与2.5D模型相关的模拟精度。
Yu等人已经提出了一种混合求解方案，即“A Hybird 3D/2D FiniteElement Technique for Polymer Processing Operations(聚合物加工作业的一种混合3D/2D有限元方法)，”Polymer Engineering and Science Vol 39，No.1，1999。所建议的方法没有考虑温度的变动，因此没有提供非等温系统中的精确结果，在非等温系统中的材料性质随温度而变，如大多数喷射模型系统那样。此方法的应用实例包含相对简单的、已经预先划分为“2D”和“3D”部分的解答域。而且，似乎还没有迹象表明如何将此方法适用于分析比所示实例复杂的零部件中。
颁发给Nakano的美国专利NO.6,161,057提出了一种简单的混合求解方案，该方案为解答域中的厚部和薄部的过程变量求解。提出的方法需要一些简化假设以计算解答域的较厚和较薄两部分中的压力和流体速度。例如，此方法要求利用以下方程(1)，以计算解答域的厚部中的流体速度
vx=ξ∂P∂x,vy=ξ∂P∂y,vz=ξ∂P∂z---(1)]]>其中vx、vy和vz分别是x、y和z方向上的流动速度；P是压力；而ξ是流量导通率，在Nakano专利中定义为一流体粘度的函数，方程1的近似与完全3D分析相比更类似于2.5D Hele-shaw近似，而方程1不能适当地描述具有较厚和/或复杂部分的部件中的液体流动，尤其是厚部构成部件的基本(非不重要的)部分的情况。
当前的一些建模方法不很过硬；它们必须按照所涉及的计算复杂性经调整以应用于不同的用途中。建模人员基于有待建模的过程和有待生产和/或分析的部件的几何形状决定要采用哪种模拟方法。建模人员也必须确定如何按照具体部件和被模拟的过程将解答域分解成为多个单元。在为给定部件和/或过程选择和制定模型的过程中所作的各项决定可能会相当地影响模型输出的精度。使模型适配于多种应用场合的过程是很耗时的并且通常需要高度熟练的技术人员进行相当大规模的定制工作。
需要一种较为精确、较为过硬、较为快速和低成本的建模制作过程以及对所制作的部件进行结构分析的方法。当前的一些方法要求由熟练技术人员进行大量的输入并且必须对被建模的部件和/或过程进行定制。
发明内容
本发明提供了一种设备和方法，用于利用CAD系统数据自动地为模具腔和/或模制部件定义混合分析解答域。本发明也提供一种设备和方法，用于利用混合分析方法模拟被制作部件的模制。
本发明克服了当前各种混合分析系统中固有的一些难题，即要求熟练技术人员的介入以从CAD系统输出中定义解答域。本发明提供了一种从CAD系统输出中定义混合解答域的自动的、标准化的方法而不需要专家人为的介入。本发明也提供了一些混合过程分析方法，这些方法例如通过考虑温度变动和/或复杂的流动特性，提供了超出现有技术的许多改进。
模拟模具腔内的液流通常需要模具腔或被模制部件的图像。在一方面内容中，本发明提供一种模拟液流的方法，该方法自动地将部件和/或模具腔的图像(representation)划分为至少两个部分-一部分可进行简化分析，另一部分需要较为复杂分析。本方法包括进行混合分析-即，在较简单部分中求解一组简化的支配方程和在较复杂部分中求解一组较复杂的支配方程。由于复杂的方程组必须仅在模具或部件的几何形状复杂的地方予以求解，所以上述方法即可减小进行模拟所需的时间和内存量，同时还会保证精度。简化分析可以是2.5D Hele-shaw(希尔-肖)分析、2D分析、1D分析，或者其中可根据一个或多个维度和/或其他变量简化假设条件的任何其他类型的分析。
在一项实施例中，本发明自动地将被制作部件或模具的几何形状图像分隔成至少两部分-一部分用于2.5D分析，另一部分用于3D分析。例如，本发明可以利用被制作部件或模具的表面图像定义用于混合分析的解答域，其中该解答域被自动地分隔成一个或多个2.5D-分析部分和一个或多个3D-分析部分。该解答域的2.5D-分析部分各自具有基本上不变的或逐渐变化的厚度，而3D-分析部分一般具有较为复杂的几何形状。例如，该方法可以识别被制作部件的薄壁部分以用于2.5D分析，并将这些部分与将进行3D分析的较为复杂部分，诸如拐角、肋板的底部和表面的交接处，分别开来。在一项实施例中，本方法也可自动地离散解答域的2.5D分析部分和3D分析部分并求解作为时间函数的各过程变量-诸如压力、速度和温度-的分布。
本发明提供的模拟方法与当前各种混合方案相比具有较大的精度。例如，本发明的一项实施例通过在分析中结合能量守恒方程而考虑了温度的因素。其次，本发明允许在分析方案中求解具有精确形式的质量和动量守恒方程，而不需要简化假设，如方程1所示。
由于完全的3D分析只在必需的地方才予以实施，所以本发明的方法提供了比传统3D求解方法更快、成本更低的模拟。例如，在一项实施例中，本发明在对精度的影响可以忽略的情况下，采用一种较为简单的、2.5D方案对尽可能多的解答域进行了分析——例如该解答域的较薄和平直的部分。
本发明的方法是较过硬的，并且与传统的模拟方法相比，更少地需要熟练技术人员的介入。例如，在一项实施例中，本发明利用简单的CAD系统输出定义一有待建模的部件或模具的表面网格，然后自动地通过子表面匹配技术将网格划分为2.5D-分析部分和3D-分析部分，并自动地离散这两个部分而形成在其中进行混合分析的解答域。由于所述实施例可自动地进行分隔，所以技术人员不必决定如何将解答域分隔成2.5D和3D分析部分。除了CAD系统输出之外，本发明可以利用任何其它类型的数据文件传送有待建模的部分或模具的表面图像。由于所述解答域依赖于部件或模具表面真实几何形状，所以本发明能够将结果直接显示在部件的3D几何形体上，从而比起例如要求建立中面网格的方案来说，使得结果的表示对用户更加直观。
某些情况下，允许用户对自动被分解的解答域施加控制是很有用的。例如，将给定表面域自动分解成混合解答域可能会造成一些被分类成复杂部分(即3D-分析部分)的一部分的区域，在该区域中可合理地进行较为简单的分析(即2.5D-分析)。例如，用户在设计的早期阶段可能想要容忍精度的某些降低以便增加分析速度，这时比较精确的分析可以稍后进行。在另一实例中，用户可能想要以所需的计算时间为代价而增大模拟精度。因此，本发明的一项实施例允许用户手动重新表征已经自动地予以表征而归于解答域的第一部分或第二部分的给定区域。
本方法也可同样或者可选择地允许用户手动将有待分析的部分的容积在自动分解之前表征为属于解答域的第一部分或是第二部分。在用户知道在容积的给定区域中她/他想要的特定类型分析(2.5D、3D，等等)的情况下，这可能是有用的。
虽然本发明的特定实施例的描述包括将所述解答域分解成第一和第二部分，但是，进一步将解答域分解成第三、第四、第五或另外一些其中将要进行不同类型分析的部分，也落入本发明的范围之内。
因而，在一方面内容中，本发明从用户提供的CAD输出中形成表面图像；通过分析并匹配子表面而将该表面图像分隔成两个或多个部分；将该两个或多个部分离散化；并且求解作为时间函数的一个或多个变量-诸如压力、速度和温度-的分布。被建模的过程例如可以是喷射模塑过程的充填阶段和/或装填阶段。两个或多个部分可包括一个或多个2.5D-分析部分和一个或多个3D-分析部分。该解答域的2.5D-分析部分可以利用楔形单元予以离散，而该解答域的3D-分析部分可以利用四面体单元予以离散。Yu等人的美国专利No.6096088所公开的内容在此全部引入以作为参考，其中的双域单元可用以代替2.5D-分析中的楔形单元。六面体单元可以用以代替3D-分析中的四面体单元。其他类型的单元可以用以代替或附加于上述单元。其次，2.5D-分析和3D-分析这二者的任一或全部可以利用不同于有限元法的方法予以进行，诸如边界元方法(BEM)、自然元方法(NEM)、光滑颗粒流体动力学(SPH)，或者别的无网格方案。
交界面单元提供了解答域的简化分析部分与复杂分析部分之间的连接。在一项实施例中，守恒方程和连续性必要条件利用交界面单元在2.5D-分析部分与3D分析部分之间的边界处予以强制执行。交界面单元是在解答域的两种类型部分之间边界处的共线节点组或者表面组。在结构分析的情况下，本发明的一项实施例采用交界面单元来满足连续性条件和/或匹配解答域两部分之间交界面处的自由度。
本发明提供了一种用于模拟模具腔或模制部件内的液流的方法，包括以下各步骤提供模具腔或模制部件的表面图像；自动地将该表面图像分隔或至少第一部分和第二部分；定义对应于所述第一和第二部分的解答域；以及在该解答域的两个部分中求解一个或多个过程变量。
在一项实施例中，本方法的一个或多个步骤通过计算机的执行而自动实现，不怎么需要或者根本不需要熟练技术人员的介入。例如，在一项实施例中，按照由用户提供的关于部件或模具腔表面的说明而自动地生成离散的、混合解答域，而不需要从用户处要求另外的输入。在另一实例中，按照由用户提供的关于部件或模具腔表面的说明而自动地生成离散的、混合解答域，此时用户也可提供(或被提示提供)关于单元形状比、规定边缘长度(SEL)、过程模型输入-诸如边界条件和/或初始条件-的信息，以及/或者关于将如何利用解答域的其他信息。由于将解答域分隔成多个部分并且解答域的离散化都受到由计算机执行的方法所强加的内在约束，所以即使用户提供特定技术条件，解答域的生成仍然是自动的。特定实施例提供了用户被提示的一个或多个建模技术条件的默认值。各默认值可以或可以不以将要建模的特定部件和/或过程为基础。特定实施例为用户提供自身设置建模技术条件的选项，接受模拟技术条件的预定默认值，并且/或者根据有待建模的部件和/或过程的信息利用建模技术条件的计算机确定值。
在另一方面内容中，本发明提供一种自动定义混合解答域的方法，该方法的步骤包括将模具腔或模制部件的表面图像划分成子表面；匹配多对子表面，其中两个子表面的给定对由基本上不变或逐渐变化的厚度隔开(但其中一对的隔离厚度可以彼此不同)；并且定义混合解答域，该解答域具有至少部分地受匹配子表面约束的第一部分和至少部分地受一个或多个非匹配子表面约束的第二部分。在一项实施例中，第一部分适合于2.5D分析，而第二部分需要进行3D分析以精确求解。该方法还可包括利用混合解答域对模制过程进行建模，诸如喷射模塑，或者确定模制对象的结构特性，诸如模制塑料部件的翘曲。
本发明也提供一种用于模拟模具腔内液流的设备，以及一种用于定义混合解答域的设备。每种设备包括存储器，用于储存定义一组指令的代码，以及处理器，用于执行这些指令以实施在此所述发明的一种或多种方法。
本发明的目的和特点可参照下述附图以及各项权利要求而更好地予以了解。附图不必符合比例，相反，重点通常放在示出本发明的各项原理上。在附图中，遍及多种视图，相同的附图标记用以表示相同的部分。专利或申请文件包含至少一张以彩色制成的图纸。一当提出请求和付予必需的费用，美国专利和商标局将会提供带有(各)彩色图纸的该专利或专利申请出版物的副本。
图1示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于模拟一部件的喷射模塑的解答域，其中该解答域利用用于完全3D分析的四面体单元予以离散化；图2示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于模拟图1中部件的喷射模塑的一部分解答域，其中此部分解答域利用用于2.5D分析或双域方法用途的许多楔形予以离散化；图3示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于模拟图1中部件的喷射模塑的一部分解答域，其中此部分解答域利用用于3D分析的四面体单元予以离散化。
图4示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于模拟图1中部件的喷射模塑的一混合网格解答域，其中一部分解答域利用用于2.5D分析的楔形予以离散化，而另一部分利用用于3D分析的四面体单元予以离散化；图5示出了按照本发明一例证性实施例所述的利用图4的混合网格解答域和一种2.5D/3D相结合的方法获得的在充填/装填转换点处的压力分布；图6是一流程示意图，该图示出了用于自动地定义混合网格解答域的系统中的各个组成部分，用于按照本发明一例证性实施例求解作为时间的函数的过程变量的分布；图7A示出了按照本发明一例证性实施例所述的在定义混合网格的系统中所分析的两个不同子表面上的两个相邻单元；
图7B示出了按照本发明一例证性实施例所述的从图7A中确定两个相邻单元之间的弯折角度；图8A示出了按照本发明一例证性实施例所述的在定义混合网格的系统中所分析的两个不同子表面上的两个相邻单元；图8B示出了按照本发明一例证性实施例所述的从图8A中确定与两个相邻单元相关的曲率；图9示出了按照本发明一例证性实施例所述的在定义混合网格的系统中应用准则以限制子表面的重新建网；图10示出了按照本发明一例证性实施例所述的在重新建网过程中的顺序阶段上对某一子表面进行离散化；图11示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于重新建网过程中的初始立体平版图表面的图像；图12示出了按照本发明一例证性实施例所述的重新建网之后图11的表面图像；图13示出了按照本发明一例证性实施例所述的三维T形对象的横截面并且图示了该对象的表面图像的匹配单独子表面以将各子表面归类为匹配、非匹配或边缘子表面；图14示出了按照本发明一例证性实施例所述的带锥度、T形对象的横截面并且图示了该对象的表面图像的匹配单独子表面以将各子表面归类为匹配、非匹配或边缘子表面；图15示出了按照本发明一例证性实施例所述的在定义混合网格的系统中用于匹配子表面的准则；图16A、16B和16C示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于将子表面归类为匹配、非匹配和边缘子表面的折叠过程(collapsing procedure)的步骤；图17示出了按照本发明一例证性实施例所述的包括由交界面单元分隔开的两部分的混合网格解答域，用于在模具腔内模拟液体流动；图18示出了按照本发明一例证性实施例所述的包括四面体单元和交界面单元的图17混合网格解答域的一部分，用于在模具腔内模拟液体流动；图19示出了汽车仪表盘的一塑料部件；按照本发明一例证性实施例所述为该部件自动地确定一混合解答域并进行喷射模塑流动分析；
图20示出了按照本发明一例证性实施例所述的在图19中塑料部件的设计期间所产生的STL-格式化CAD输出的图像；图21示出了按照本发明一例证性实施例所述的用于模拟图19中部件的喷射模塑，其中解答域的一部分利用楔形元件予以离散化从而进行2.5D分析或双域分析，而解答域的另一部分利用四面体单元予以离散化从而进行3D分析；图22示出了按照本发明一例证性实施例所述的利用图21的混合解答域和一种2.5D/3D相结合的流动分析方法获得的时刻图，在这些时刻处流动液体的前沿达到图19的部件模具内的各点；图23示出了按照本发明一例证性实施例所述的利用图21的混合解答域和一种2.5D/3D相结合的流动分析方法获得的在充填/装填转换点处的压力分布；图24示出了按照本发明一例证性实施例所述的适于实现在此所述的各种方法的计算机硬件设备。
具体实施例方式
表1列出在此所用的多种符号以便于读者所用。表1的条目并不用来限制在此所述本发明各项实施例的意义。
表1标记
一般来讲，本发明涉及一种利用混合模型进行过程模拟和结构分析的设备和方法。一种混合模型可在解答域的相应各部分中进行2.5D分析和3D分析。由于计算机存储和CPU时间方面的各种约制，模制零部件的完全三维分析往往是不可能的。例如，为了进行完全3D分析而为一塑料部件或模具腔建立网格，这往往必定会超出装有32位Windows操作系统的个人电脑所能提供的可寻址存储器的限度。纤维充填部件(零件)分析、喷射模塑分析，以及暴露于高温之后喷射模型零部件的翘曲分析都提高了对电脑存储器和CPU时间的要求。
因而，在一方面内容中，本发明提供一种设备和各种方法，通过子表面匹配方法自动地将部件或模具腔的图像划分成2.5D-分析部分和3D-分析部分，并自动地将这两部分离散化以形成进行混合分析的解答域。由于许多模制部件包括适于进行2.5D分析的较薄区域，所以在许多应用中运行时间和内存需求都大为减小。
图1至图5提供了介绍性的演示，示出了应用本发明一项实施例模拟喷射模塑过程所带来的简化。图1示出了采用传统方法所确定的用于模拟塑料部件或模具腔的喷射模塑的解答域100。图1的解答域100采用四面体单元予以离散化从而进行完全3D分析。由于整个解答域是由尺寸充分地小以进行精确模拟的三维四面体单元组成的，所以全面离散化是很复杂的。例如，诸如温度、压力和流体速度的过程变量的数值可能在解答域的几何复杂部分中变化较大，因此在这些区域内就需要更小的离散以进行精确的模拟。除了密集的离散化之外，全部3D支配方程必须在整个解答域求解以便利用图1的解答域100解得过程变量的分布。
图1所示解答域100的某些部分是一些较薄的部分，各自具有相对不变的厚度。在这些部分中不必需进行完全3D分析。例如，本发明的各种方法可以自动地将部件或模具腔的表面图像划分为具有许多片段的部分，这些片段各自具有相对不变的厚度，该部分可以利用2.5D分析方法予以建模。图2示出了图1中部件/模具腔解答域的一部分200，可利用2.5D分析方法予以建模。该2.5D-分析部分200包括片段202、204、206、208和210，各自具有相对不变的厚度(虽然一个片段的厚度可能不同于另一片段的厚度)。2.5D-分析部分可利用6-节点楔形自动地予以离散化。另外，双域单元可以用来代替楔形。
用于部件/模具腔的解答域的其余部分自动地利用适于进行3D分析的3D单元诸如四面体单元予以离散化。图3示出了图1中部件/模具腔解答域的部分300，利用四面体单元予以离散化。该3D-分析部分300包括片段302、304、306、308、310和312。这些片段代表在两个或多个表面的交接处、拐角处和在其他一些厚度突然改变的部位处的部分部件/模具腔。
图4示出了用于模拟图1中部件/模具腔的喷射模塑的混合网格解答域400。解答域400包含图2所示的一些相对不变厚度的片段，以及图3所示的一些其余的片段。混合求解方案可以遍及解答域400求出作为时间的函数的一个或多个过程变量-诸如压力、速度和速度-的分布。此方案包括用于楔形单元的2.5D分析方法和用于四面体单元的3D分析方法。交界面单元处在楔形单元与四面体单元之间的边界处，此处要求强制遵守守恒方程和连续性条件。
图5示出了在图1所示的例证性部件/模具腔的喷射模塑期间的一特定时间点处的压力分布500，为此，按照本发明一项实施例确定了混合解答域并进行了2.5D/3D相结合的流动分析。在此情况下，对应于所示压力分布500的时间点是从喷射模塑的充填阶段向填塞阶段的转换点。用于自动地确定混合解答域的方法和进行2.5D/3D相结合流动分析的方法将在后文予以较为详细的说明。
图6是示出用于自动地形成混合网格解答域的系统中的各部分的简略流程图600，用以求解作为时间函数的各过程变量的分布。本发明实施例也包括了可自动定义混合网格解答域而不必利用该解答域求解过程变量的系统。此系统的部分包括有预处理CAD输出604的部分以形成全部表面网格；分析表面网格的表面单元608；定位表面网格的特征边缘612；将表面网格的子表面616分类；对表面网格重新建网620；表面网格的匹配子表面624，从而识别其中可进行2.5D分析的解答域部分；离散解答域的2.5D-分析部分628；定位交界面单元632；离散解答域的3D-分析部分636；以及求解服从于初始条件、边界条件和过程输入的支配方程642以获得遍及解答域的作为时间函数的过程变量的分布的解答。这些部分的每一个都将在下文予以更加详细的讨论。
图6中的处理器部分604采用一有待制造的部件的诸如CAD输出602的几何描述作为输入，并将其转变为三维部件/零件或模具腔的表面图像606。输入可以是任何方便形式的几何描述。例如，处理器部分604可以以初始图形变换技术规格(IGES)格式(例如，IGES版本5.3，以及后续和早先的各种版本)来利用CAD系统输出。在另一实例中，部分604可以采用与诸如Parasolids或ACIS的通用几何核心函数相关联的CAD系统输出文件。其次，部分604可采用与诸如Pro-Engineer(出自Needham，MA的Paramefric Technology Corporation)或I-DEAS(出自Milford，OH的Stractaral Dynamics Research Corporation)的与专有几何核心函数相关的CAD系统输出文件。可用CAD系统输出的另一种手段包括用于制作3D原型的立体平版图(STL)格式化文件。这种格式是由在有限元意义上不具有连通性的多个平面三角形组成的。任何一种描述覆盖三维固体区域外表面的网格的文件格式都可以用作输入。重新建网器(即，参见图6所示部分620，后文将进行说明)用以提高网格质量以便后续处理。
图6的预处理器604使用表面网格，例如三角形表面单元网格，为三维零件/部件/模具腔建立网格。这种网格通常可利用几何核心函数由CAD系统得到。对于立体平版图格式的CAD输出，通常必需为零件/部件/模具腔表面图像重新建网以得到一组具有合理高宽比的三角形。一种重新建网的方法在图6的部分620中得以描述，将在后文予以更为详细的说明。可选择地，由预处理器部分604形成的表面图像是由多个四面体单元组成的。也可使用其他的二维单元。
一旦图6中的预处理器604生成三角形表面单元的表面网格，表面单元分析器608就将确定表面单元的特性，并将其储存以备随后之用。表面单元特性用于将表面网格划分成许多子表面，随后将其分类和匹配以确定足够进行简化分析(即，2.5D分析)的解答域的第一部分。图6所示的表面单元分析器608确定与每个表面单元相关的单元特性和节点特性610。例如，表面单元分析器608计算并储存每一表面单元的以下单元特性●面积；●单元形心处的法线；●单元的各边缘长度；●单元各顶点处的内角；●相邻单元(邻接单元)；●相邻单元之间的弯折角度(相邻单元法线之间的角度)；以及●相邻单元之间的弯折曲率(相邻单元的弯折边缘和节点所处的圆柱形表面的曲率)。
图7A和7B示出了由图6所示的表面单元分析器608确定的、相邻单元之间弯折角度的计算。图7A的单元E1和E2正好沿着隔开两个子表面704、706的特征边缘708设置。图7B示出了从图7A中箭头702方向上看到的单元E1和E2的横截面视图。相邻两单元E1与E2之间的弯折角度作为两单元E1与E2法线之间的角度示出于图7B中。
图8A和8B示出了由图6所示表面单元分析器608确定的、各相邻单元之间的弯折曲率(或“单元曲率”)的计算。图8B示出了从图8A中箭头702方向上看到的两单元E1和E2的横截面视图。与E1和E2边缘上单元E1相关的弯折(单元)曲率等于1/R1，而与E1和E2边缘上单元E2相关的弯折(单元)曲率等于1/R2，如图8B的示意图800中所示。弯折曲率是其上可设置相邻单元的弯折边缘和节点的圆柱形表面的曲率。
除了单元特性之外，图6所示的表面单元分析器608可确定与表面网格606的每一表面单元相关的节点特性610。在一项实施例中，为每一表面单元计算并储存以下各种节点特性●节点处的最小曲率的测量结果；●各连接单元(连接于节点的一组单元)；以及●连接于节点的各边缘的数量。
在给定节点处的最小曲率是连接于给定节点的所有单元的最小弯折曲率。
图6所示的特征边缘定位器612然后利用以上算出的各种特性以确定将要进行建模的3D零件/模具的特征边缘的位置。特征边缘是对于观看零件/模具的人来说显然可见的边缘。特征边缘定位器612可识别邻近特征边缘的表面网格的单元。在一项实施例中，特征边缘定位器可通过首先将表面网格的每一单元分类为平面单元或者“曲面”单元而识别特征边缘。例如，平面(三角形)单元是(1)具有等于零或是大于一给定特征角度门槛值的三个弯折角度中的一个，或者是(2)具有至少一个相邻的平面单元，此处该单元与相邻的平面单元之间的弯折角度是零。所有其他的单元被分类为“曲面”单元(即使，分别地看它们实际上都是平面)。在一项实施例中，图6所示的特征边缘定位器612可识别以下各位置处的特征边缘(1)在两个相邻单元之间的弯折角度大于一给定的特征边缘门槛值(例如，从大约40°至大约45°)的地方；(2)在平面单元与曲面单元之间的边缘处；以及(3)在弯折(单元)曲率方向上具有显著变化的地方，例如，如图8B的示意图800所示。
一旦特征边缘定位器已经定位了特征边缘，那么就要对子表面进行进一步的组织以识别隔开表面网格所有子表面的剩余边缘。图6中的子表面分类器616逐个单元地进行伪递归过程以将各单元按照弯折角度和弯折曲率分成子表面，从而使具有同样弯折曲率的相邻单元被分组在一起。高曲率子表面通常会耦合解答域3D-分析部分的区域，而平面和小曲率的子表面通常会耦合解答域的2.5D-分析部分的区域。由子表面分类器616进行的伪递归过程从确定表面网格的较大平面子表面(板片)位置开始。在一项实施例中，较大平面板片是指其中各单元之一的面积大于以网格几何尺寸、平均关联厚度和单元数量为基础的门槛值的平面板片。在此，各单元的尺寸是以一合理的高宽比为基础的。通过首先识别较大的平面板片，子表面分类器616可避免将较大单元分为曲面子表面。在识别出较大平面板片之后，只要受到平面表面(板片)的约束，相邻的平面单元就被添加于较大的平面板片中。在一项实施例中，平面板片的约束如下(1)板片内部的边缘弯折角度(即，沿着边缘的最大的单元对单元弯折角度，如图7A和7B所示)小于例如设定为从大约5°到大约15°的允差值；以及(2)板片的每一节点具有低于允差水平的偏移距离，设定得从大约0.05倍平均关联厚度(见后文)到大约0.1倍平均关联厚度；其中“偏移距离”是从一节点至“子表面平面”的垂直距离，并且该子表面平面是由子表面的最大单元定义的。
子表面分类器616中的下一步骤是识别“其他的”(不大的)平面板片。在一项实施例中，所有的、尚不是较大平面板片的一部分的连接平面(非“曲面”)单元构成这些“其他的”平面板片之一。
子表面分类器616中的下一步骤是对小曲率子表面逐个单元地进行伪递归分类，然后再对大曲率子表面进行相同的分类。具有同样曲率的相邻“曲面”单元(如上所形成的)分组为单独的曲面板片(子表面)。伪递归过程利用一些准则以确定相邻的“曲面”单元是否属于当前的曲面子表面。在一项实施例中，可使用四项准则以确定邻近(相邻)的单元是否属于当前的曲面子表面(1)邻近(候选)单元与当前子表面之间的弯折角度小于大约1°；(2)邻近单元的曲率小于一门槛值(适用于小曲率子表面的门槛值)。例如，一小曲率子表面必须具有一小于或等于大约(0.06/厚度)的最大曲率，这里“厚度”是与该子表面相关的平均厚度(见下述)；(3)当前子表面和邻近单元的曲率大于大约(0.5/厚度)，此处“厚度”是与当前子表面相关的平均厚度(适用于各大曲率子表面)；以及(4)邻近单元与当前子表面之间的弯折角度小于一门槛边缘弯折角度值(例如，设定得从大约30°与大约45°之间)，而邻近单元的曲率小于大约4倍的当前子表面的最小曲率，此处子表面的最小曲率是所有属于该子表面单元的单元到单元最小弯折角度。
子表面分类器616的下一步骤是将所有剩余的单元分组成平面子表面。子表面分类器616然后识别隔开各子表面的最终边缘，并计算与储存每一边缘的下述特性●长度；●弯折角度；●弯折方向(弯入或弯出)；以及●相邻单元。
下一步，子表面分类器616识别表面环圈。表面环圈是各子表面的多个有向边缘。例如，一个带有一孔眼切出的矩形表面具有两个关联的环圈-一个用于矩形的外部边缘而另一个限定出内部孔眼。子表面分类器616计算并储存下述环圈特性●长度；以及●连接于环圈的各边缘。
最后，子表面分类器616为每一子表面计算并储存以下各种特性●周边；●面积；●子表面中的节点；●子表面中的单元；●边缘；●环圈；以及●与子表面相关的曲率最小测量值。
一如在此所述，子表面曲率不同于单元曲率之处就在于，子表面曲率由属于子表面的最小、最大、平均，以及/或者单元边缘曲率的范围予以表征。
一旦子表面被分类，与每一子表面相关的网格按照用于优化网格质量和效率的给定准则进一步予以细化或粗化，以备数值分析之用。例如，图6中的重新建网器620可按照规定边缘长度(SEL)的用户确定值粗化或细化给定子表面的网格。SEL值愈大，重新建网的网格将愈粗，相反，SEL值愈小，则重新建网的网格将愈细。在一项实施例中，SEL默认值是根据模型的复杂度计算出来的。用户可增大或减小SEL值以加快分析速度而牺牲选择精度，反之亦然，受制于内部约束条件。在一项实施例中，内部约束被施加于SEL的允许值上，从而使重新建网的节点与它们在原先网格中位置的最大偏移距离低于一给定门槛值(例如，从SEL的大约1％到大约5％)，并且使最大弯折角度低于一给定门槛值(例如，从大约15°到大约30°的值)。
在一项实施例中，图6中的重新建网器620将进行以下序列步骤(1)表面网格的所有子表面由子表面分类器616予以分类之后，各子表面(边缘)的边界被重新建网。这里，每一板片的环圈通过在定义环圈的当前一组边缘上插入和/或合并节点而被划分成相应的长度(SEL)；(2)约束条件按照SEL上的内部约束应用于各边缘节点的合并中。这些约束条件可确保环圈基本上不偏离其初始形状。例如(a)施加弯折角度约束如果环圈弯折得超过规定的弯折角度，则环圈的该部分就不服从于边缘长度准则(边缘节点不应按照SEL被合并)；(b)施加弦高约束如果一短边缘节点(在短于SEL的边缘上的节点)相对于其相邻节点的弦高大于一规定长度，则环圈的该部分就不服从于边缘长度准则(边缘节点不应按照SEL被合并)；以及(3)SEL应用于有待重新建网的子表面的网格。例如，一种迭代的“平分和合并算法”实施如下(a)如果单元的最长边缘明显大于SEL(例如，如果此边缘大于大约1.5倍SEL)，那么从该子表面中的最长单元开始，通过平分该单元的最长边缘插入各个节点；(b)寻找明显短于SEL的单元边缘(例如，该处边缘小于0.5倍的SEL)，并将这些节点合并在一起；(c)重复直至所有的单元边缘长度处于SEL的窄狭范围之内为止。图9示出了“弯折角度约束”和“弦高”约束在以上条目(2)中的应用。弦高908必须小于给定的门槛值，并且弯折角度必须小于给定的门槛值，以便通过在环圈上合并初始节点902而将SEL应用于粗化网格从而形成新单元906。图9示出了7个初始单元904，它们服从于弯折角度约束和弦高约束而按照SEL值合并之后由两个新单元906予以代替。
注意，在所有的网格修改作业中，可修改各种单元节点连结以优化在过程中任一时刻处一节点附近的高宽比。这是一种局部优化作业，并可定义为用于围绕节点建网的一条或多条“规则”。这可使得图6所示的特定部分成为迭代的和/或递归的。
图10是示意图1000，示出如以上条目(3)中的“平分和并入”算法那样，或者在局部优化作业中那样，在一重新建网程序的各顺序阶段中在子表面1002上形成补充单元。在这种情况下，子表面的网格通过平分子表面上单元的最长边而进一步予以细化从而得到各补充单元。例如，网格1002是初始网格。该网格是通过在最长单元边中点处确定一节点并将各直线延伸到尚未连接于中点的一个或多个顶点而予以细化，从而得到一个或多个补充三角形。这一点由图10中的后续网格1004、1006、1008、1010和1012予以图示。在网格1004、1006、1008、1018和1012中，最长边的中点(由“o”示出)和从该点延伸出的各条虚线确定了各个新单元。重新建网继续进行直至各单元满足尺寸的(即，由SEL给定的)一项或多项准则为止。例如，图11示出了用于一重新建网程序中的一初始立体平版表面图像1100。图12示出了在利用上述平分算法重新建网之后(1200)的图11的表面图像。
在子表面被重新建网之后，图6中的子表面匹配器624可确定哪些子表面是“匹配子表面”，而剩余子表面各自被分类为“非匹配子表面”或“边缘子表面”。各匹配子表面随后连接于各楔形单元以形成解答域的第一部分-可进行精确的2.5D分析的部分。
匹配子表面是那些与另一表面相关从而可合理地形成其间厚度概念的子表面。匹配子表面之间的厚度或是基本上不变的或是逐渐变化的。例如，图13示出了一T形对象(一填角肋板)的横截面1300并示出了整个表面图像的单独匹配子表面。在横截面1300上，线段ab、cd和gh处于各边缘子表面上。线段aj和ed匹配于bc。线段fg匹配于hi。弯曲部分ij和ef是非匹配的。不可能合理地确定非匹配子表面ij和ef的厚度。
图14进一步示出了匹配各子表面的概念。图14示出了横穿一填角肋板的横截面1400。此处，线段ab、cd和gh处于各边缘子表面上。线段aj和ed匹配于bc。线段fg和hi是匹配的。曲线部分ij和ef是非匹配的。注意，尽管有锥度，但是线段fg和hi仍然被认为是匹配的。不过，如果锥度过大，则形成带锥度肋板的各表面不可能是匹配的。
匹配子表面是包含匹配单元的子表面。匹配是逐个单元地并且逐个子表面地进行的，直至所有可以匹配的单元被考虑到为止。在一项实施例中，图6的子表面匹配器624应用各准则以确定两个三角形是否是匹配的。在一项实施例中，这两项准则是(1)“三角匹配角度”(TMA)是否小于一给定值(例如，从大约30°至大约45°)和(2)“三角匹配距离”(TMD)是否小于一基于网格平均厚度、匹配子表面平均宽度和匹配子表面边界特征的给定值。子表面的边界特征是其延伸边缘长度与整个边缘长度的比值。TMA和TMD的确定示出于图15的示意图1500中。为确定TMA，首先要找到有待匹配的三角形(图15中的三角形A)的形心。然后，沿着其法线将其投射以找到与模型(表面图像)反面上子表面上的三角形的交点。这里，这就是图15中三角形B上的“投射点”。TMA随后如图15所示进行计算。三角形匹配距离，TMD，如图15所示，是用于计算TMA的投射垂直距离。
图6中的表面匹配器624采用一种“折叠”(collapse)程序以识别各非匹配子表面中的哪些是边缘子表面，并赋予以下各子表面特征(1)板片(子表面)类型，示出其曾如何被折叠(正/副或边缘)；(2)每一节点的“移动距离”；以及(3)每一节点的“移动矢量”。
图16A至16C显示了一实例折叠程序中的步骤。匹配子表面1602和1604被“折叠”到一起直至最终折叠位置1608，如图16A和16B的简图1600所示。折叠方向是利用来自在先建网步骤和子表面特性的匹配信息，包括面积、本征尺寸和边界特征在内，而确立起来的。“正板片”(primary sheet)是被选取以首先进行移动的子表面。在正板片上的节点的移动距离形成了板片的平均匹配距离。副板片上的节点的移动距离是从节点到对置的主板片的距离减去主板片移动距离。折叠之后，在图16A中的主板片1602和副板片1604二者上的各节点已经移向中面1608。非匹配板片(子表面)(图16C的1642、1644)在折叠过程中不移动。一个面积在主和副板片被折叠到中面之后收缩到其初始尺寸的大约20％或更小的非匹配板片被认为是一“边缘子表面”。图16中的子表面1642和1644都是边缘子表面，由于它们的面积在图16所示实例中收缩为零(或接近零)。注意，折叠程序用以识别各边缘子表面并赋予子表面特性。折叠程序不用于将网格形成为中间面图像。网格被“重新鼓起”到其各初始节点位置，如图16C的示意图164a所示。
在将子表面归类后，图6的子表面匹配器624将各子表面赋予厚度。这些厚度例如用于在解答域的第一部分中进行2.5D流动分析(即，利用Heleshaw近似处理)。子表面匹配器624赋予各匹配子表面上各单元一个厚度，该厚度等于各子表面之间的平均厚度。边缘子表面上的各单元被赋予它们所连接的各匹配子表面的厚度。非匹配子表面上的各单元被赋予各匹配子表面上各周围单元的平均厚度。在一些实施例中，由于厚度对于特定应用场合下进行流动分析来说并不是必定的，所以厚度并不被赋予各边缘子表面和/或各非匹配子表面。
子表面匹配器624将模型的每个子表面归类为或是匹配的、非匹配的，或是边缘子表面，并确定一组成对的单元，该单元定义了匹配子表面之间解答域的可能的2.5D-分析部分(该2.5D-分析部分可包括一个或多个非连通区域)。在识别可能的2.5D区域之后，组成解答域2.5D-分析部分的最终2.5区域通过除去所有的成对单元而予以确定，这些单元(1)连接于边缘弯折角度大于一给定值(例如，大约30°)的表面边缘；(2)连接于不属于边缘表面的非匹配单元；和/或(3)形成一小片2.5D区域。剩余的成对单元确定(界定)了解答域的2.5D-分析部分(第一部分)，而其余的单元确定(界定)了解答域的3D-分析部分(第二部分)。
在解答域被划分为2.5D-分析部分和3D-分析部分之后，各部分采用匹配的、非匹配的和边缘子表面各种单元予以离散化。在一项实施例中，2.5D-分析部分中各对单元被转换为6-节点楔形单元，而剩余的子表面单元使用三角形单元予以闭合从而形成3D-分析区域，该区域用四面体单元予以建网。
图6中的第一部分解答域离散器628将定义2.5D-分析部分(第一部分)的匹配对单元转换为6节点楔形单元(其中每一楔形单元在其6个拐角的每一个处具有一个节点)。在每一格点处进行计算。定义楔形单元的6个节点可以全都具有不同的压力，而贯穿楔形厚度的各求解格点可提高精度。不过，在一些其中的流动趋近于二维流动的较薄区域内，楔形顶部三个节点上的压力大致上与楔形的相应底部三个节点上的压力相同，或者是不需要任何格点，或者是例如只需要1、2或3个格点。在一项实例中，沿着单元厚度所使用的格点数量在从大约3至大约40的范围之内。在另一项实施例中，沿着单元厚度所使用的格点数量在从大约8至大约20的范围之内。较少数量的格点会带来更快的分析速度，这可能比较适于产品研制早期的设计迭代过程。对于每一楔形单元，贯穿单元的厚度可具有任何数量的格点，这取决于模型的所需精度。在一些实施例中，在单元节点之间不存在任何求解格点，而只在每一单元的6个节点处获得求解。在添加格点的情况下，每一楔形都是离散成层的单元。在一项备选实施例中，每一楔形是连续成层的单元。
图6中的交界面单元定位器632可沿着解答域的第一部分(即2.5D-分析部分)与第二部分(即3D-分析部分)之间的边界定义交界面单元。交界面单元定位器632，例如按照有待连结的第一部分和第二部分单元的类型，采用一种或多种以下类型的交界面单元●圆盘形单元，带有在1D-分析单元端部上的中心节点和多个属于接触该1D-分析单元端面的3D-分析区域单元的周围节点；●直线状单元，连接2.5D-分析单元(即，楔形)和3D-分析单元(即，四面体)；●矩形单元，带有属于2.5D-分析单元(可以或不可连接于3D-分析单元)的4个拐角节点和设置于该2.5D-分析单元之上和以内的任何数量的3D-分析单元节点；以及●三角形单元，带有属于2.5D-分析单元(可以或不可连接于3D-分析单元)的3个拐角节点和设置于该2.5D-分析单元之上和以内的任何数量的3D-分析单元节点。
可选择地，交界面单元定位器632可以采用一种不同于上述列举的类型。
在解答域的第一部分包括楔形单元的一项实施例中，一组直线单元，在2.5D-分析部分通过利用每一楔形拐角处的各节点其间加入一个或多个的格点节点而采用楔形单元建网之后，沿着2.5D-分析部分与3D-分析部分的交界面子以形成。所使用的格点数量可以从大约3至大约40。一般来讲，格点数量的范围从大约8到大约20。可选择地，可采用少于(0、1或2)或多于(超过40)这些范围所示出的格点。
交界面单元定位器632利用交界面单元的所有节点以使三角形单元闭合解答域的3D-分析部分(第二部分)。在2.5D-分析部分(第一部分)的敞开边缘处，形成楔形的格点和节点使用表面网格予以离散化从而确保第一和第二部分被连接起来。例如，在应用上述分类和离散程序于一平面、较薄的四方平板时，有待用2.5D-分析楔形予以建网的区域(解答域的第一部分)被定义于平板的所有边缘以内。平板的楔形与内部边缘之间的区域然后使用3D-分析四面体单元予以建网。该网格允许精确地计算在平板边缘处的热损失。不过，对于一些较薄的区域，热损失极小并且可忽略。因此，在一项实例中，本发明自动地将楔形单元放置于模型的各自由边缘处，以便减少所需四面体单元的数量。
在交界面单元被定位并且上述闭合步骤得以实施之后，图6中的第二部分解答域离散器636使用三维单元对3D-分析部分进行离散化。三维单元可以是四面体单元、六面体单元，或者二者的某种组合。不过，可采用任一类型的多面体单元或其组合。
在一项备选实施例中，离散解答域第一和第二两部分和形成交界面单元的各步骤是以不同于上述方式予以排序的。例如，图6系统的部分628、632和636可以以不同于图6中所示的顺序来执行。例如，图6系统的这三个部分的相对顺序可以是以下的任何一种(1)628、632、636；(2)628、636、632；(3)632、628、636；(4)632、636、628；(5)636、628、632；以及(6)636、632、628。
图17示出了一种混合网格解答域1700的一项实例，带有由交界面单元隔开的2.5D-分析部分和3D-分析部分，按照本发明一项实施例自动地由CAD输出形成。2.5D-分析部分由使用楔形单元予以离散的区域1702、1704、1706(浅色的)组成。各楔形单元连接模型的各匹配子表面。3D-分析部分1708(暗色的)用四面体单元予以离散。直线交界面单元沿着2.5D-分析与3D-分析两部分的边界设置并示为加粗的直线片段，诸如1710和1712处的那些。图18示出了交界面单元(例如，1710、1712、1802、1804、1806、1808、1810)和图17所示的混合解答域的四面体单元(1708)的特写1800。
图6所示系统600中的方程求解器642求解作为时间函数的、在解答域第一和第二两部分中一个或多个过程变量(诸如压力、温度、流速、应力、粘度和流体流动前沿)的分布。支配方程包括质量、动量和能量均衡关系，并且所述方程，服从于描述被建模过程的各种过程输入640、初始条件和边界条件，在解答域的各个部分中(同时)被求解。由方程求解器642执行的各求解程序的实例在此针对解答域的2.5D-分析、解答域的3D-分析部分和交界面单元在下面予以说明。
解答域的2.5D-分析部分可采用沿着其厚度具有或不具有格点的楔形单元予以离散。低雷诺数液流是一种用于将流体喷射到诸如那些组成解答域2.5D-分析部分(第一部分)的一些狭窄区域的典型液流。在一项实施例中，通常的Hele-shaw近似处理在2.5D-分析部分中使用低雷诺数液流用于过程模拟。支配方程包括动量、能量和质量(连续性)守恒方程，并被应用于解答域的2.5D-分析部分中。用于2.5D-分析部分的支配方程如下述方程2至方程4所示∂P∂x=∂∂z(η∂υx∂z)]]>∂P∂y=∂∂z(η∂υy∂z)---(2)]]>∂P∂z=∂∂z(η∂υz∂z)]]>ρcP(∂T∂t+υ→·▿T)=ηγ·2+▿·(λ▿T)---(3)]]>∂ρdt+ρ(∂υx∂x+∂υy∂y+∂υz∂z)=0---(4)]]>其中方程2表示笛卡儿坐标系(Z是厚度方向)中的动量守恒方程，方程3表示能量守恒方程，而方程4表示连续性(质量守恒)方程。在一项实施例中，方程2-4，服从于如下方程5和6所示的各边界条件，在2.5D-分析部分的每一区域中予以求解υ→(z=±h)=0---(5)]]>T(z＝±h)＝TW(6)其中TW是模具壁部温度，而各模具壁部定位于Z＝h和Z＝-h处，其中h是与2.5D-分析部分给定区域相关的半壁厚度。x和y方向上的热传导可以忽略，同时一种板式构造可用于促进计算温度分布和粘度分布(其中粘度可以是温度的强函数)。在一项备选实施例中，没有作出这种简化。一种有限差分法可以用于求解2.5D-分析部分中的能量均衡关系，其中热对流以一种逆流方案为基础。一种逆流方案的实例记载于2003年11月19日颁布的共有欧洲专利No.1218163，以及美国专利申请No.09/404932之中，其公开的内容在此完整地纳入作为参考。
通过将方程2(动量均衡关系)和方程4(连续性方程)相结合，图6中的方程求解器642采用一种伽了尔金(Galerkin)加权余数方法来导出解答域2.5D-分析部分中压力场的有限元方程。方程7是通过在方程右边表述集总质量而获得的Se(AeT+AeB)▿Ni▿Njpi=SeLijpi=Vnje∂ρj∂t---(7)]]>
其中Se是单元的流导，由方程8定义Se=∫0hz2η(z)dz---(8)]]>其中ATe是一单元的顶部面积，而ABe是此单元的底部面积。一般来讲，非对称温度分布会导致非对称粘度分布。在这种情况下，板式通道中的流导可以表示为方程9Se=12{∫h-h+z2η(z)dz-(∫h-h+zη(z)dz)2∫h-h+1η(z)dz}---(9)]]>其中各积分是从Z＝-h到Z＝h取值的。
因而，遍及2.5D-分析部分的以下过程变量的任何一个的分布，例如温度、压力、流体速度、液流前沿位置、内能、密度、流动性、粘度，以及它们的各自梯度，都可以作为时间的函数而获得。
一项备选实施例，遍及解答域的2.5D-分析部分的过程变量的分布是利用Yu等人的美国专利No.6096088的方法予以确定的，其公开的内容在此完整地纳入作为参考，从而使沿着各匹配子表面的液流前沿得以同步化。在一项对解答域2.5D-分析部分采用该解法的实施例中，交界面单元是平面形状并设置在2.5D-分析区域与3D-分析区域之间。
解答域的3D-分析部分用三维四面体单元予以离散；不过，也可采用其他一些形状。3D分析可包括求解纳维埃-斯托克斯(Navier stokes)方程或简化的斯托克斯方程，其中惯性和重力都被忽略了。诸如惯性和重力这样的体积力通常在流体具有高粘度和低雷诺数的喷射模塑中是可以忽略的，但这种简化并不是一定要进行的。
在3D-分析部分中被求解的支配方程包括动量、能量和质量(连续性)守恒方程。在一项实施例中，广义动量方程表述在方程10中ρ∂υ→∂t=ρg→-▿P+[▿·ηγ·]-ρ[υ→·▿υ→]---(10)]]>假定可忽略体积力，则动量方程可由斯托克斯方程，即方程11，表述[▿·ηγ·]-▿P=0---(11)]]>
在笛卡儿坐标系中，斯托克斯方程表述于方程12中∂P∂x=∂∂x(2η∂υx∂x)+∂∂y(η(∂υy∂x+∂υx∂y))+∂∂z(η(∂υz∂x+∂υx∂z))]]>∂P∂y=∂∂x(η(∂υy∂x+∂υx∂y))+∂∂y(2η∂υy∂y)+∂∂z(η(∂υz∂y+∂υy∂z))---(12)]]>∂P∂z=∂∂x(η(∂υz∂x+∂υx∂z))+∂∂y(η(∂υy∂z+∂υz∂y))+∂∂z(2η∂υz∂z)]]>3D-分析区域中的连续性(质量守恒)方程表述于方程13中∂ρ∂t+υ→·▿ρ+ρ▿·υ→=0---(13)]]>为了对喷射模型过程建模，可以应用以下方程14中的边界条件v→(x→)=0,∀x→∈∂Ω---(14)]]>其中Ω是模具/塑料交界面。对于解答域3D-分析部分中的直线四面体单元，方程求解器642采用各单元内插函数作为加权函数。然后利用布勃诺夫-伽了尔金(Babnov-Galerkin)方法得出各余数方程15-22Rx=∂∂x(2η∂υx∂x)+∂∂y(η(∂υy∂x+∂υx∂y))+∂∂z(η(∂υz∂x+∂υx∂z))-∂P∂x---(15)]]><Rx,Ni>e=0=]]>∫Ve[(2η∂υx∂x-P)∂Ni∂x+η(∂υy∂x+∂υx∂y)∂Ni∂y+η(∂υz∂x+∂υx∂z)∂Ni∂z]dV-∫Seσ‾xNidS---(16)]]>Ry=∂∂x(η(∂υy∂x+∂υx∂y))+∂∂y(2η∂υy∂y)+∂∂z(η(∂υz∂y+∂υy∂z))-∂P∂y---(17)]]><Ry,Ni>e=0=]]>∫Ve[η(∂υy∂x+∂υx∂y)∂Ni∂x+(2η∂υy∂y-P)∂Ni∂y+η(∂υz∂y+∂υy∂z)∂Ni∂z]dV-∫Seσ‾yNidS---(18)]]>Rz=∂∂x(η(∂υz∂x+∂υx∂z))+∂∂y(∂υy∂z+∂υz∂y)+∂∂z(2η∂υz∂z)-∂P∂z---(19)]]>
<Rz,Ni>e=0=]]>∫Ve[η(∂υz∂x+∂υx∂z)∂Ni∂x+(∂υz∂y+∂υy∂z)∂Ni∂y+(2η∂υz∂z-P)∂Ni∂z]dV-∫Seσ‾zNidS---(20)]]>RP=∂ρ∂t+υ→·▿ρ+ρ▿·υ→---(21)]]><RP,Ni>e=0=∫Ve(∂ρ∂t+υ→·▿ρ+ρ▿·υ→)Nidυ---(22)]]>利用线性插值函数来近似四面体单元中的速度以及压力，得出方程(23)中的单元的刚度矩阵2k=11+k=22+k=33k=12k=13L=1k=21k=11+2k=22+k=33k=23L=2k=31k=32k=11+k=22+2k=33L=3L=1TL=2TL=3T0=υ‾xυ‾yυ‾zP‾=R‾υxR‾υxR‾υz0‾]]>或者简短表述为K=L=L=T0=υ→‾P‾=R→‾0‾---(23)]]>(k=ij)kl=∫Veη∂Nk∂xi∂Nl∂xjdV,]]>(L=l)kl=-∫Ve∂Nk∂xiNldV=-∂Nk∂xiVe4]]>不进行修正时，该系统可能是不适当的，由于它不满足“不定-抑制”(inf-sup)或者巴布代卡-布列吉(Babuska-Brezzi)稳定性条件。各种乱真压力模式可能导致压力解中的严重波动，而速度解，无论网格尺寸如何，可能封闭。因此，方程求解器利用“微”(Mini)单元构造以使系统稳定。在微单元构造中，速度检验函数的富集空间，如方程24所述，是由线性检验空间和气泡函数(bubble function)空间构成的υ→+=υ→l+υ→b---(24)]]>其中vl是单元中通常的线性插值而vb是单元中的气泡速度。气泡速度，如方程25所述，是通过一气泡形状函数予以表达的
量 是一单元矢量，从而使 在单元中具有不变的方向，但具有一由气泡形状函数φ 确定的变动大小。一立方气泡形状函数，在三维上实际为四次的，是一种可选方案，如方程26所示φ(x→)=44N1(x→)N2(x→)N3(x→)N4(x→),∀x→∈e---(26)]]>一二次气泡形状函数可使用以带来较大的稳定性，如方程27中所示φ(x→)=2-4Σk(Nk(x→))2,∀x→∈e---(27)]]>由于线性子空间与气泡子空间是正交的，所以方程28适用∫Ve▿υ→l:▿υ→bdV=0---(28)]]>其中Ve是单元体积。将方程24至28代入方程23得出具有图29所示结构的线性方程组K=0=L=0=K=bL=bL=TL=bT0=υ‾lυ‾bP‾=R→‾R→b0‾---(29)]]>K=b=2k11b+k22b+k33bkb12kb13kb21k11b+2k22b+k33bkb23kb31kb32k11b+k22b+2k33b]]>其中，对于二次气泡函数，方程30和31适用kijb=∫Veη∂φ∂xi∂φ∂xjdV=165VeηeΣk=14Σl=k4∂Nk∂xi∂Nl∂xj---(30)]]>(L=b)ij=∫Ve∂φ∂xiNjdV=1.6VeΣm=14(2-δjm)∂Nm∂xi---(31)]]>以及，对于三次气泡函数，以下适用kijb=∫Veη∂φ∂xi∂φ∂xjdV=4096945VeηeΣk=14Σl=k4∂Nk∂xi∂Nl∂xj---(32)]]>
(L=b)ij=∫Ve∂φ∂xiNjdV=32105VeΣm=14(2-δjm)∂Nm∂xi---(33)]]>由于此实施例之中的气泡速度只是确定在所考虑的单元内部，方程29中的方程组通过气泡速度的静态缩合而产生方程34K=L=L=T-L=bTK=b-1L=bυ→‾lP‾=R→‾-L=bTK=b-1R‾b---(34)]]>求解出速度 的线性部分之后，实际速度 可从方程24中获得。对于一立方气泡，气泡速度在各节点处都是零，以致使 的各节点数值实际上是所需的解。对于二次气泡，一单元内每一节点的气泡速度，按照方程27，是 在一项实施例中，这一项被认为是可以忽略的。
可选择地，图6的方程求解器642可利用一种边界元方法(BEM)来求解解答域的3D-分析部分中各过程变量的分布。
这里，边界元方法只需要一外部网格而不需要为解答的3D-分析内部建立网格。边界元方法可以用于一些简单的流体和/或线性结构分析。方程求解器642可以通过在3D-分析部分内插入一些点而使用扩展的BEM或无网格技术来求解非线性问题。
图6中的方程求解器642可以求解解答域3D-分析部分中的温度场。在3D-分析部分中求解的广义能量守恒方程示于方程35中ρcP(∂T∂t+υ→·▿T)=βT(∂P∂t+υ→·▿P)+ηγ·2+▿·(λ▿T)+Q·---(35)]]>方程35将模具之中的温度变化作为位置和时间函数，这种变化是由对流、压缩生热、粘性弥散、通向/出自模具的热传导，以及/或者各种热源，诸如反应热和/或其他各种热源效应造成的。能量守恒方程一般是与质量和动量二守恒方程同时求解的。方程35可采用一种或多种有限元方法、有限差分方法，或者有限差分和有限元相结合的方法予以求解。
在一项实例中，方程求解器642采用一种有限元法为解答域3D-分析部分求解方程35的能量均衡关系。剪切生热和压缩生热可基于前一时间步长的结果以明显地计算出来。对流可基于一种逆流方法和温度插值予以计算。热容量可以是集总的或一致的。一种逆流方法和温度插值方法的实例记载于2003年11月19日颁布的共有欧洲专利No.1218163中，以及美国专利申请No.09/404932中，它们所公开的内容在此都被完整地纳入作为参考。
因而，可获得遍及3D-分析部分的下述过程变量中任一个的分布以作为时间的函数，这些变量例如是温度、压力、流速、液流前沿位置、内能、密度、流动性、粘度，以及它们的各自梯度。
能量均衡关系通常不用于为各交界面单元求解；不过，当热量对流在2.5D-分析区域与3D-分析区域之间进行时，它们的连通性信息可用于进行热对流计算。
交界面单元可以填补解答域各区域之间边界上各种几何和/或自由度不连续之处。例如，图6中的方程求解器642可将交界面单元作为一般的有限元处理，其中交界面单元的单元矩阵如方程36中所述kije=P*f(nie,nje)---(36)]]>其中P*是“补偿数”。在一项实例中，方程求解器642利用一种补偿方法来构成单元矩阵以强行实现连续性。这里，方程36之中的P*值较大而f(nie，nje)是给定单元的节点i和节点j的函数。对于压力场，交界面单元的单元矩阵可以表达为如方程37中所述Kij=-P·fjT·σNj·VNji=NT,i≠j0i≠j,i,j∉NT,NBP·σNj·VNji=j,i,j∉NT,NB-P·fjB·σNj·VNji=NB,i≠jP·ΣfjT·σNj·VNji=j=NTP·ΣfjB·σNj·VNji=j=NB]]>fiT=(zNi-h)/2h,fiB=1.0-fiT---(37)]]>σNj=∫h-h+z′η(z′)dz′∫h-h+1η(z′)dz′∫h--Ni1η(z′)dz′-∫h--Niz′η(z′)dz′]]>其中NT表示交界面单元的顶部节点，NB表示底部节点，h是交界面单元的半高。
图19-23示出了一实例模具腔之内的液流模拟。该模拟包括利用CAD输出自动地为模具腔创建混合解答域，自动地离散该解答域，并求解给解答域内各过程变量的分布。
图19示出了一汽车仪表盘的喷射模制的塑料部件1900。为了制作塑料部件1900，需要建立该部件的一个模型，用于模拟喷射模塑期间模具内的流动。该过程模拟允许，例如，调整各过程条件、设置喷射部位、识别潜在的加工损伤地点，以及/或者在设计和/或制作过程的任一阶段上调整部件设计，而不需(或者需要最少的)试配实验。
图20是在图19所示的塑料部件1900设计期间产生的STL-格式化CAD输出的图像2000。图20中的网格2000尚未适用于有限元分析中。图6所示的系统600利用CAP输出602以自动地创建包括2.5D-分析部分和3D-分析部分的混合解答域，随后将其用于有限元分析中。这些步骤在上面较为详细地作了说明。
图21示出了利用图6的系统600自动确定的用于部分1900的混合网格解答域2100。混合网格解答域2100具有两部分-浅色部分2104采用6节点楔形单元予以离散，深色部分2102采用四面体单元予以离散。在浅色部分2104中将进行2.5D-流动分析，在深色部分2102中将同时进行3D流动分析。
流动分析是通过例如图6系统600所示的方程求解器部分642予以完成的，在上文中已经进行了详细地叙述。求解器642确定过程变量在整个解答域中的分布。例如，图22示出了在给定两个喷射部位2202和2204情况下液流前沿达到图19中部件模具内的各点时的时刻图2200。两个喷射部位2202和2204的位置是由图6系统600中为方程求解器642所用的两个过程输入640。在图22所示的实例中，完全充填部件1900的模具所需的时间是2.771秒。按照基准2206处的附图标记，红色部分是有待充填的模具的最后部分。
图23示出了图19中部件1900喷射模塑时充填/填压转换点处的压力分布。压力分布是利用图21的混合网格解答域2100和在此所述的结合式2.5D/3D流动分析方法所确定的各过程变量的另一个。可予以确定的其他一些过程变量包括例如温度分布、流体速度、粘度、液流前沿位置、内能、密度、流动性，以及它们各自的梯度，所有这些都可表述为时间的函数。
图24示出了适合用于实现在此所述的任何方法的计算机硬件设备2400。设备2400可以是便携式计算机、台式计算机、主机，或者其他具有必需的计算速度和精度的适当计算机，从而为在此所述的功能性提供支持。计算机2400一般包括一部或多部中心处理机2402，用于执行包含在包括一种或多种在此所述方法的软件代码中的各项指令。储存装置2404，诸如随机存取存储器和/或只读存储器，设置得用于暂时或是永久地保留代码，以及计算机2400所需的其他操作软件。永久性、非易失性读/写存储器，诸如硬盘，一般用于既在使用时间也在空置时间内储存代码，还储存由软件生成的数据。软件可以包括例如一个或多个记录在诸如磁盘、磁带、CD-ROM和半导体存储器等机器可读媒体上面的模块。优选情况下，机器可读媒体位于计算机2400内。在一些备选实施例中，机器可读媒体可通过通讯线路连接于计算机2400。例如，软件用户可以经由因特网提供输入数据，该数据由计算机予以远程处理，而后将模拟输出发送给用户，在另外一些备选实施例中，可以使用硬件实现形式的逻辑中的计算机指令取代软件，或者可以用固件(即，记录在诸如PROM、EPROM、EEPROM等等装置上面的计算机指令)取代软件。在此所用的机器可读指令一词用以包含软件、硬件实现形式的逻辑运算、固件、目标代码，等等。
计算机2400最好是通用计算机。计算机2400可以是例如嵌入式计算机；诸如膝上机或台式机的个人计算机；服务器；或者其它类型的能够运行软件、发出适当控制指令并记录信息的计算机。计算机2400包括一个或多个输入装置2406，诸如键盘和读盘器，用于从用户那里接收诸如数据和指令等输入；以及一个或多个输出装置2408，诸如监视器或打印机，用于以图形或其他各种格式提供模拟结果。另外，可以设置通信总线和I/O端口以将所有的部分连接在一起并允许按照要求与其他的计算机和计算机网格相连通。
虽然本发明已经参照特定的优选实施例进行了具体地图示和说明，但是，本技术领域技术人员还应当理解，可以作出形式和细节方面的多种改变而不偏离由所附各项权利要求限定的本发明的本质和范围。
权利要求
1.一种用于模拟模具腔内液体流动的方法，此方法包括各步骤如下(a)为与模具腔相关的三维容积提供表面图像；(b)将所述表面图像至少分隔成第一部分和第二部分，所述表面图像的第一部分与所述容积的至少一部分相关，该部分沿着其长度至少具有(i)基本上不变的厚度或者(ii)逐渐改变的厚度；(c)将解答域的第一部分离散化，该部分受所述表面图像的第一部分的外界的约束；(d)将所述解答域的第二部分离散化，该部分受所述表面图像的第二部分的外界的约束；(e)为所述解答域定义多个交界面单元，该交界面单元将所述解答域的第一部分的至少部分连接于所述解答域的第二部分的至少部分；(f)利用第一组支配方程为所述解答域的第一部分获取至少一个过程变量的值；(g)利用第二组支配方程为所述解答域的第二部分获取至少一个过程变量的值。
2.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(b)是自动执行的。
3.按照权利要求2所述的方法，其中步骤(c)、步骤(d)和步骤(e)中的至少一个是自动执行的；
4.按照权利要求2所述的方法，其中步骤(c)、步骤(d)和步骤(e)中的至少两个是自动执行的；
5.按照权利要求1所述的方法，其中所述表面图像是表面网格。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述容积表示模制对象。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述容积表示模具腔。
8.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(f)中的第一组支配方程、步骤(g)中的第二组支配方程，以及一组交界面单元方程被同时求解，并且服从于初始条件和边界条件。
9.按照权利要求8所述的方法，其中所述交界面单元方程将在两个空间维度中由支配方程描述的解答域的一部分联系于在三个空间维度中由支配方程描述的解答域的一部分。
10.按照权利要求1所述的方法，其中所述至少一个过程变量是从由温度、压力、流速、应力和液流前沿位置组成的一组中选定的。
11.按照权利要求1所述的方法，其中所述至少两个过程变量是从由温度、压力、流速、应力和液流前沿位置组成的一组中选定的。
12.按照权利要求1所述的方法，其中至少存在三个过程变量，包括温度、压力和流速。
13.按照权利要求1所述的方法，其中所述方法模拟所述三维容积中的流体喷注。
14.按照权利要求13所述的方法，其中所述方法还包括确定至少一个喷注点的部位。
15.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括由CAD系统输出中提供所述表面图像。
16.按照权利要求15所述的方法，其中所述CAD系统输出是呈立体金属印刷格式或IGES格式的。
17.按照权利要求15所述的方法，其中所述CAD系统输出定义了包括多边形单元的表面网格。
18.按照权利要求17所述的方法，其中所述多边形元素是三角形单元或四边形单元。
19.按照权利要求15所述的方法，其中所述CAD系统的输出定义一三维网格。
20.按照权利要求19所述的方法，其中所述表面图像是由邻接所述三维网格的多边形栅格形成的。
21.按照权利要求15所述的方法，其中步骤(a)包括利用CAD系统输出作为初始网格并且重新布网初始网格以提供所述表面图像。
22.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括提供一表面图像，该图像包括多边表面单元组成的网格。
23.按照权利要求22所述的方法，其中步骤(b)包括定义两个或更多的子表面，每一子表面包括至少一个表面单元。
24.按照权利要求23所述的方法，其中步骤(b)包括确定用于每个所述表面单元的单元特性和节点特性。
25.按照权利要求24所述的方法，其中步骤(b)包括利用所述单元特性和节点特性的至少一个子集来按照曲率将两个或更多子表面中的每一个进行分类。
26.按照权利要求23所述的方法，其中步骤(b)包括定义至少一个表面环圈，每个环圈包括所述表面图像的连接起来的边缘子集。
27.按照权利要求23所述的方法，其中步骤(b)包括利用平分算法对所述两个或更多的子表面中的至少一个子集重新布网。
28.按照权利要求23所述的方法，其中步骤(b)包括定义所述两个或更多的子表面中哪些是匹配子表面。
29.按照权利要求28所述的方法，其中每对匹配子表面是由一可定义的厚度隔开的。
30.按照权利要求28所述的方法，其中所述表面图像的第一部分包括所述匹配子表面的至少一个子集。
31.按照权利要求23所述的方法，其中步骤(b)包括确定所述两个或更多的子表面中的哪些是非匹配子表面。
32.按照权利要求31所述的方法，其中所述表面图像的第二部分包括所述非匹配子表面的至少一个子集。
33.按照权利要求23所述的方法，其中步骤(b)包括确定两个或更多的子表面中的哪些是边缘子表面。
34.按照权利要求28所述的方法，其中步骤(c)包括将所述表面单元中的至少一个从在基本上垂直的方向上的一个子表面投影到其匹配子表面上去，由此形成成对的表面单元。
35.按照权利要求34所述的方法，其中步骤(c)包括将所述成对的表面单元转换为楔形单元。
36.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括自动地离散所述解答域的第一部分。
37.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)中的离散化包括利用所述表面图像的第一部分以定义所述解答域的第一部分。
38.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括利用楔形单元离散所述解答域的第一部分。
39.按照权利要求38所述的方法，其中所述楔形单元中的至少一个包括沿其厚度的至少一个解答格点。
40.按照权利要求38所述的方法，其中所述楔形单元中的至少一个是离散成层的单元或连续成层的元素。
41.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(d)包括自动地离散所述解答域的第二部分。
42.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括利用六面体单元离散所述解答域的第一部分。
43.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括利用壳形单元离散所述解答域的第一部分。
44.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(d)包括利用多边形单元离散所述解答域的第二部分。
45.按照权利要求44所述的方法，其中所述多面体单元是四面体单元或六面体单元。
46.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括定义一组直线交界面单元。
47.按照权利要求46所述的方法，其中每一所述直线交界面单元沿着所述解答域第一部分与所述解答域第二部分的交界面定位。
48.按照权利要求46所述的方法，其中每一所述直线交界面单元包括所述解答域的第一部分的楔形单元的至少两个节点。
49.按照权利要求48所述的方法，其中每一所述直线交界面单元还包括至少两个节点的两个之间的至少一个解答格点。
50.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括定义一组平面交界面单元。
51.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)在步骤(e)之前启动。
52.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(c)在步骤(d)之前启动。
53.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一组支配方程描述两个空间维度中的液流。
54.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一组支配方程描述两个空间维度和时间上的液流。
55.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一组支配方程描述一个空间维度和时间上的液流。
56.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(f)包括利用一种希尔-肖近似法。
57.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(g)包括求解纳维埃-斯托克斯方程。
58.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(g)包括求解简化的斯托克斯方程。
59.按照权利要求1所述的方法，其中所述第二组支配方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。
60.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(f)和步骤(g)中的至少一个包括利用一无网格方案。
61.按照权利要求60所述的方法，其中所述无网格方案是一种边界元方法、自然元方法或光滑颗粒流体动力方法。
62.按照权利要求61所述的方法，还包括以下步骤(h)将至少一个过程变量的值直接显示在所述容积的三维图像上。
63.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(g)包括利用一种微单元公式。
64.一种用于模拟模具腔内的液流的方法，所述方法包括以下各步骤(a)为与模具腔相关的三维容积提供表面图像；(b)自动地将所述表面图像至少分隔成第一部分和第二部分；(c)为所述三维容积定义一解答域，此时所述解答域包括一对应于所述表面图像第一部分的第一部分和一对应于所述解答域第二部分的第二部分；(d)求解所述解答域第一部分中的过程变量；以及(e)求解所述解答域第二部分中的过程变量。
65.按照权利要求64所述的方法，其中步骤(b)中所述表面图像的第一部分与所述容积的至少一部分相关，所述部分沿着其长度至少具有(i)基本上不变的厚度或者(ii)逐渐改变的厚度。
66.按照权利要求64所述的方法，其中步骤(b)包括自动地离散化所述解答域的第一部分和第二部分。
67.按照权利要求64所述的方法，还包括以下步骤，即形成多个交界面单元，所述交界面单元将所述解答域第一部分连接于所述解答域第二部分。
68.按照权利要求64所述的方法，其中步骤(d)包括使用第一组支配方程和步骤(e)包括第二组支配方程。
69.按照权利要求68所述的方法，其中所述第一组支配方程描述2.5D流动和所述第二组支配方程描述3D流动。
70.一种用于自动地定义混合解答域的方法，此方法包括以下各步骤(a)利用模具腔容积的表面图像标识与所述模具腔相关的容积的多个子表面；(b)匹配一对或多对的多个子表面以标识一对或多对匹配的子表面和一个或多个非匹配的子表面；并且(c)定义(i)混合解答域的第一部分，该部分至少部分地受一对或多对所述匹配子表面的约束，以及(ii)所述混合解答域的第二部分，该部分至少部分地受一个或多个所述非匹配子表面的约束。
71.按照权利要求70所述的方法，其中所述容积代表一模具腔。
72.按照权利要求71所述的方法，还包括利用所述混合解答域对模制过程建模。
73.按照权利要求70所述的方法，其中所述容积的表面图像包括CAD系统输出。
74.按照权利要求70所述的方法，其中所述混合解答域的第一部分易于进行2.5D流动分析，所述混合解答域的第二部分易于进行3D流动分析。
75.按照权利要求70所述的方法，其中步骤(b)包括按照曲率将多个子表面的每一个进行分类。
76.按照权利要求70所述的方法，其中所述各对匹配子表面的每个包括两个由一基本上不变的厚度分隔的子表面。
77.按照权利要求70所述的方法，其中所述容积代表一模制对象。
78.按照权利要求77所述的方法，还包括利用所述混合解答域确定所述模制对象的结构特性。
79.按照权利要求78所述的方法，其中所述结构特性是翘曲。
80.一种用于模拟模具腔内的液体流动的设备，该设备包括(a)存储器，储存定义一组指令的代码；以及(b)处理器，执行所述各指令，借以(i)将与模具腔相关的三维容积的表面图像至少分隔成第一部分和第二部分，所述表面图像的第一部分与所述容积的至少一部分相关，该部分沿其长度至少具有(i)基本上不变的厚度或者(ii)逐渐变化的厚度；(ii)离散一解答域的第一部分，该部分受所述表面图像的第一部分的外界的约束；(iii)离散所述解答域的第二部分，该部分受所述表面图像的第二部分的外界的约束；(iv)为所述解答域定义多个交界面单元，该单元将所述解答域第一部分的至少部分连接于所述解答域第二部分的至少部分；(v)利用第一组支配方程为所述解答域的第一部分获得至少一个过程变量的值；(vi)利用第二组支配方程为所述解答域的第二部分获得至少一个过程变量的值；
81.一种用于定义混合解答域的设备，该设备包括(a)存储器，储存定义一组指令的代码；以及(b)处理器，执行所述的各指令，借以(i)利用模具腔容积的表面图像标识与所述模具腔有关的容积的多个子表面；(ii)匹配一对或多对的多个子表面以标识一对或多对的匹配子表面和一或多个非匹配子表面；并且(iii)定义(A)混合解答域的第一部分，该部分至少部分地受一对或多对所述匹配子表面的约束，以及(B)所述混合解答域的第二部分，该部分至少部分地受一个或多个所述非匹配子表面的约束。
82.按照权利要求2所述的方法，还包括以下步骤，即将所述解答域的第二部分的一子集按照用户输入重新表征为属于所述第一部分。
83.按照权利要求2所述的方法，还包括以下步骤，即将所述解答域的第一部分的一子集按照用户输入重新表征为属于所述第二部分。
84.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括将所述表面图像分隔成第一部分、第二部分，以及至少一个附加部分。
全文摘要
本发明提供用于采用混合模型进行过程模拟和结构分析的一种设备和一些方法。例如，本发明的一种方法通过将一塑性部件或模具腔的图像划分为两部分而自动地形成混合解答域－一部分进行简化分析，另一部分要求较为复杂的分析－从而定义一混和解答域。此方法可采用描述部件或模具的表面的任何形式的CAD数据作为输入。而且，本发明提供了一些方法，用于通过自动地创建混合解答域，自动地离散该解答域，以及求解该解答域内过程变量的分布而模拟模具腔内的液流。
文档编号B29C45/76GK1764917SQ200480007924
公开日2006年4月26日 申请日期2004年2月4日 优先权日2003年2月5日
发明者余华刚, 彼德·肯尼迪 申请人:莫尔德弗洛爱尔兰有限公司