专利名称：参量化材料和基于虚拟测试的工作性质的制作方法
参量化材料和基于虚拟测试的工作性质 相关申请交叉引用
OOOlj本申请为2005年10月4日提交的美国专利临时申请 60/722,985的非临时，其内容全文结合到本文中。
背景和概述即使是最简单的产物，其设计和制备也可能是很复杂的过 程。 一些复杂性起因于对设计和/或制备方法的限制。比如，产物的功 能或用途一般对设计产生某些限制。审美、成本、材料的利用性、安 全和许多其他考虑一般对设计产生额外限制。
图1A显示实例设计流程图。
|00061图1B显示初始实体模型按照图1A的设计流程演变到更 新实体模型的实例。
图4(a)和4(b)显示某些材料性质参量化的虚拟测试实例。
图5提供来自虚拟测试与基于连续体的均匀化理论的均匀 化杨氏模量E比较。
化Gi2比较。
00131图7(a)和7(b)分别显示实例初始问题域和实例优化拓朴。0014图8显示用于计算轴向性质的实例3D有限元网格。
第二种方法是人工参量化，也被称为"SIMP"(实体各向
Bendsoe， Tbpo/ogy (9/ "w/z加ow。"人工"是指假定没有基础微结构。 相反，直接采用参量化￡&) = ￡0/，其中x为实体体积分数。 一般1"= 3。此处的原则是立方参量化倾向于使设计达到Xj = 0或义j = 1最终状 态。虽然是基于人工模型，但此方法却对单相实体-空洞拓朴优化有效。本申请的系统和方法基于虚拟测试进行参量化。与均匀化 理论方法一样也假定一种基础微结构。基本差别是宏观或松散材料的 均匀化性质参量化所用的技术。虚拟测试方法产生超过均匀化和SIMP 方法的两个明显优点。第一，获得参量化形式非常容易。第二，除了 进入本构方程的材料性质外，如模量、介电常数、传导率等，也可同 样容易地对强度相关材料性质参量化，如屈服强度、极限强度、断裂 韧度、硬度。为了说明虛拟测试方法，现在研究在体胞内包含正方形空
洞的重复微结构。均匀化或整体性质将是具有三种独立常数(即5、 V
和(712)的正交各向异性材料的那些性质。当然，虽然本实例包括正交 各向异性材料，但虚拟测试方法也可应用于为各向同性、各向异性、 横向同性等的材料。五g、 vo和G，表示为无空洞材料的性质，￡7五0、 v/v。和(712/0120表示为"标准化"值。同样，假设x为实体材料的体积 分数，则可看到标准化材料常数随着x从0变化到1也相应从0变化 到1。图4(a)和4(b)显示两种虚拟有限元分析(FEA)模型。图4(a) 是关于产生风x)、 v(x)和 (x)的非线性拉伸强度测试的模型。图4(b) 模型由以下熟知公式得到G12(x):
<formula>formula see original document page 10</formula>
0050]虚拟测试方法非常符合均匀化理论，如图5中所见到。虚 拟测试对所研究的体胞数或有限元网格不敏感。这是对应力和强度二者定量的一种一致均匀化方法。在 (ll)中由g^O表示的约束条件在有限元/中被执行为
<formula>formula see original document page 11</formula>
以克服奇异性。这保证没有材料时，应力约束条件无效。00531此外，多目标(即多属性)优化问题的阐述和解决讨论于 Gnssom等人，Conjoint Analysis Based Multiattribute Optimization, Journal of Structural Optimization(2005)，其内容结合到本文中。图7A 和7B显示一个实例问题，包括用vonMises屈服应力和位移约束条件 拓朴优化。现在将讨论单向石墨/环氧复合材料的轴向和横向热导率 的虛拟测试实例。可将机械性质评估使用的相同有限元模型用于发现 复合材料的热性质。可用以下公式13的傅里叶定律计算轴向和横向 热导率。从其中要计算热导率《的方向施加温度梯度的有限元模型得 到单向通量Q，得到以下公式
其中W为温度变化，Ax为温度变化发生通过的长度(距离)。尽管与目前被认为是最实际和优选实施方案相关提供了 以上说明，但应了解，本文所述系统和方法并不限于所提出的实施方 案，相反，这些旨在覆盖附加权利要求的精神和范围内包含的不同修 改及其相当布置。
权利要求
1.一种产生材料的拓扑的方法，所述方法包括用虚拟测试将材料的一种或多种材料性质参量化；并且产生基于参量化的材料的拓扑。
2. 权利要求1的方法，其中所述材料为多相材料。
3. 权利要求1的方法，其中所述多相材料包含实体相和空洞相。
4. 权利要求1的方法，其中所述参量化材料性质包括机械材料性质。
5. 权利要求1的方法，其中所述参量化材料性质包括电材料性质。
6. 权利要求1的方法，其中所述参量化材料性质包括声学材料性质。
7. 权利要求1的方法，其中所述参量化材料性质包括热材料性质。
8. 权利要求I的方法，其中所述参量化材料性质包括光学材料性质。
9. 一种计算机可读介质，所述介质具有包含在其中的计算机可读 代码，所述计算机可读代码用于由处理系统执行产生材料的拓朴的方 法，所述方法包括用虚拟测试将材料的一种或多种材料性质参量化；并且 产生基于参量化的材料的拓朴。
10. —种计算机程序产品，所述产品用于由处理系统执行产生材料 的拓朴的方法，所述计算机程序产品包括第 一模块，所述第 一模块用于利用虚拟测试将材料的一种或多种 材料性质参量化；和第二模块，所述第二模块用于产生基于参量化的材料的拓朴。
11 .一种数据信号，所述数据信号包含在载波中并且代表指令序 列，所述指令在由处理系统执行时，使处理系统执行产生材料的拓朴 的方法，所述方法包括用虚拟测试将材料的 一种或多种材料性质参量化；并且产生基于参量化的材料的拓朴。
全文摘要
本发明涉及一种产生材料的拓扑的方法，所述方法包括用虚拟测试将材料的一种或多种材料性质参量化，并产生基于参量化的材料的拓扑。
文档编号B29C45/76GK101321612SQ200680045494
公开日2008年12月10日 申请日期2006年10月4日 优先权日2005年10月4日
发明者A·D·贝勒贡杜, J·A·圣维尔, S·D·拉彦 申请人:阿兹特克Ip有限责任公司