专利名称：广义本构建模方法和系统的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及用于对制品诸如消费品进行建模的方法和系统。具体地讲，本发
明涉及用于对此类制品进行本构建模的计算机化方法和系统。
背景技术：
有限元分析(FEA) —直以来对于降低产品成本和提高产品质量具有显著的帮助。一旦针对给定材料建立了计算机模型，即可使用该模型来确定使用该材料的产品可如何响应于例如多种不同的载荷条件。进行计算机模拟来代替在实验室中执行测试可节省大量的时间和金钱。 目前，大多数的材料模型均是在个案基础上建立的。换句话讲，建立测试矩阵以组织一组测试，所述测试被设计用来获得有关材料在各种载荷下的性能的信息。执行测试，然后分析结果。基于此分析，模型建立者选择某些行为，所述行为可由测试结果建议。然后模型建立者将这些行为关联起来，从而得到例如一组耦合方程。测试结果的分析和行为的选择需要有极强的技能和丰富的经验。专职建立计算机模型的人员通常拥有高等学位。
因此将认识到，模型的建立可能会超过专职选择材料或选择用于新产品的加工条件的普通技术人员的技能范围。 一方面，普通技术人员不大可能具有能够从可得的行为中判断和选择合适的行为所需的经验。就此而论，普通技术人员不大可能具有修改模型所需的技能，即使该过程只是涉及根据测试结果来修改系数而已。 因此，希望提供一种可允许普通技术人员来建立新产品模型的系统和方法。也期
望提供一种在帮助技术人员建立模型的同时还可教育技术人员的系统和方法。 发明概述 根据一个方面，一种使用广义本构模型对材料进行建模的方法包括组合多个行为
以及组合多个耦合，所述多个行为的组合不考虑特定的待建模材料，所述多个耦合中的每
一个均与所述多个行为中的至少一个行为相关联并且被限定而不考虑特定的待建模材料。
该方法也包括从所述多个行为中选择至少一个行为以限定特定材料的模型、使用特定材料
的模型来执行模拟以限定模拟输出、并且根据模拟输出作出关于材料的确定。 根据另一个方面，一种用于使用广义本构模型对材料进行建模的系统包括可操作
地耦接到存储器上的处理器；存储在存储器中的多个行为，所述多个行为被组合而不考虑
特定的待建模材料；以及存储在存储器中的多个耦合，所述多个耦合中的每一个均与所述
多个行为中的至少一个行为相关联并且被限定而不考虑特定的待建模材料。处理器被编程
以从所述多个行为中选择至少一个行为从而限定特定材料的本构模型，并且处理器被编程
以使用本构模型来执行模拟。 附图概述 虽然在说明书之后提供了特别指出和清楚地要求保护本发明的权利要求书，但是据信通过下面的描述并结合附图可以更好地理解本发明。为了更清楚地显示其它元件，某些附图可能已经通过省略选择的元件进行了简化。在任何示例性实施方案中，除了在相应的文字说明书中明确描述之外，某些附图中元件的此类省略并不一定表示特定元件的存在或不存在。所有附图均未必按比例绘制。
图1为用于根据本公开的广义本构建模方法的计算机系统的方框图，所述计算机 系统可至少部分地形成根据本公开的广义本构建模系统； 图2为流程图，其示出了根据本公开的广义本构建模方法中可包括的步骤；
图3A至C为流程图，它们示出了引导用户从根据本公开的广义本构模型中选择一 个或多个行为并修改如此限定的模型的方法中可包括的动作；并且 图4为显示器的示意图，其示出了旨在与图3A至C的方法结合使用的工作表或模 板。 发明详述 本公开详述了一种用于使用广义本构模型对材料进行建模的方法和系统。广义模 型可包括多个行为，所述多个行为被组合而不考虑特定的待建模材料。广义模型也可包括 多个耦合，所述耦合中的每一个均与所述多个行为中的至少一个行为相关联。如同所述多 个行为一样，所述多个耦合被组合而不考虑待建模材料。因此，与上述的常规方法不同，本 公开的系统和方法不使用包括根据特定的待建模材料所选择的行为和耦合的模型作为它 们的起点。 本公开的方法和系统从限定广义本构模型的所述多个行为和多个耦合中选择适 合于特定的待建模材料的那些行为和耦合。在某些实施方案中，所述选择可基于积累了关 于所述选择的认识的数据库来进行。因此，对行为和耦合的选择可根据在建立类似材料的 模型的过程中所确认的关系来执行。作为另外一种选择，对行为和耦合的选择可根据在测 试相同或类似材料期间所确认的关系来执行。在某些实施方案中，所述选择可响应于接收 自用户诸如分析或技术人员的输入来进行。用户输入可呈对关于待建模材料的多个问题的 响应的形式。用户输入可用来选择模板，所述模板与例如某类材料相关联。
该方法和系统也可根据模型的测试结果来修改耦合。例如，与耦合相关联的可为 系数矩阵，所述矩阵为耦合的表达式。该方法和系统可使用模型来执行一个或多个模拟，所 述模型通过从根据默认矩阵的行为和耦合中进行选择来建立。然后该方法和系统可比较模 拟输出与接收自用户的一组测试结果。然后该方法和系统可尝试根据模拟输出和测试结果 之间的所需关系来修改系数。 基于前述内容，该方法和系统可针对所关注的材料来提供模型，所述模型可用于
对该材料进行模拟。模拟可用来例如确定是否应选择将特定材料用于特定的产品，例如根
据其在各种载荷下的性能来选择。类似地，模型可备用于多个候选材料，并可进行模拟以确
定应从所述多个候选材料中选择哪个材料。又如，通过用相同的模型在变化的载荷条件下
执行多个模拟，可使用模拟来确定材料对特定载荷的变化的不敏感程度。 模型建立过程的简单性可为该系统的一个方面，同时该系统也可另外具有教育功
能。换句话讲，给定反映在系统中的所收集的认识、专门知识和经验，系统输出可以如下方
式提供教育用户例如技术人员，并且使他或她更多地了解材料、测试结果和/或可并入到
材料模型中的行为之间的关系。以此方式，该系统的实施方案可不仅仅只是用来建立模型，
虽然某些实施方案可被设计成只是便于模型的建立。 用于根据本公开的方法和系统的计算机系统100的一个实施方案示于图1中。计 算机系统100可包括第一计算装置102和第二计算装置104。计算装置102可包括处理器106和可操作地耦接到处理器106上的存储介质或装置108。类似地，计算装置104也可包 括处理器110和可操作地耦接到处理器110上的存储介质或装置112。
处理器106、110可由一个或多个物理和/或逻辑单元来限定。类似地，存储装置 108、112可包括多个单元。虽然将处理器106、110和各自的存储装置108、112示出为位于 计算装置102U04的内部，但处理器和存储装置无需定位在相同的物理空间中或彼此物理 地邻近。此外，数据存储装置108、 112还可包括数据存储介质接口 (例如，磁盘驱动器、光盘 (CD)驱动器或数字通用盘驱动器(DVD)以及关联的数据存储介质(例如，磁盘、CD或DVD)。 实际上，数据存储装置108、112可呈任何可由机器存取的介质的形式。
可由机器存取的介质包括可提供(即，存储和/或传送)信息的任何机构，所述信 息呈可由机器(例如，计算机、工作站、Li皿x装置、网络装置、制造工具、具有一组一个或多 个处理器的任何装置等)来存取的形式。例如，可由机器存取的介质包括可记录/不可记录 的磁介质、光学介质和固态介质(例如，只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦 可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、 磁盘存储介质、光存储介质、闪存存储器装置等)、以及电、光、声或其它形式的传播信号 (例如，载波、红外信号、数字信号等)。模型和编码可存储在数据存储装置108、112中且可 由处理器106U10来执行，所述编码执行模型的数值解。 第一计算装置102可通过链路114耦接到第二计算装置104上。链路114可呈直 接连接在计算装置102、104之间的电缆的形式。链路114可呈无线连接的形式，诸如红外 连接或射频连接(例如，蓝牙)。链路114也可包括网络，诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)、 无线网络(IEEE802. 11a、IEEE 802. 11b、IEEE 802. 16)、内联网、因特网等。如图所示，链路 114至少部分地由网络限定。 这两个计算装置102U04中的一个可被配置为客户机，并且另一个可被配置为服 务器。如图所示，计算装置102将为客户机，而计算装置104将为服务器。根据某些实施方 案，计算装置102可为特定类型的客户机(称为"瘦客户机")，其中大部分的数据处理发生 在计算装置104中。然而，在本公开的范围内，也可具有被配置成根据对等网络运行的计算 装置102、104。 计算装置102可包括许多输入装置120和输出装置140。具体地讲，计算装置102 可包括呈键盘122形式的输入装置120和指点装置124诸如鼠标。可包括可供选择的输入 装置120，诸如小键盘、触摸屏、光笔、读卡器等。计算装置102也可包括呈显示单元142 (例 如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等)和扬声器144形式的输出装置140。可包括 可供选择的输出装置140诸如打印机、存储介质记录器等。 取决于计算装置102的具体实施，可将输入装置120和输出装置140中的一个或 多个与处理器106和存储装置108 —起并入到共用的外壳中。例如，如果计算装置102为 膝上型电脑，则键盘122、指点装置124、显示单元142和扬声器144可作为一体装置的一部 分驻留在与处理器106和存储装置108共用的外壳中。作为另外一种选择，如果计算装置 102为台式电脑，则处理器106和存储装置108可驻留在第一外壳中，各种输入装置120 (键 盘122、指点装置124)和输出装置140(显示单元142、扬声器144)能够可操作地耦接到所 述第一外壳上。所述可操作地耦合可呈有线或无线(红外、射频)耦合的形式。
计算装置104可耦接到多个存储装置150、 152、 154上。存储装置150、 152、 154可由独立的物理结构限定。作为另外一种选择，存储装置150、152、154可被限定为单个物理 结构的独立的物理或逻辑子结构。作为一个实例，存储装置150、152、154可为三个独立数 据库，它们中的每一个均驻留在被配置为服务器的独立计算装置上。作为另外一种选择，存 储装置150、152、154中的每一个均可为存储在被配置为单一服务器的单一计算装置上的 逻辑数据库。鉴于这些可能的各种配置，计算装置104和存储装置150、152、154之间的链 路160、162、164可表示连接在计算装置104和存储装置150、 152、 154之间的独立电缆、通 过单一电缆或单一网络链路运行的独立数据链路等。 现在参见图2所示的方法200，所述方法200可例如在计算装置102、在计算装置 104或在它们两者中存储和执行的程序来实施。方法200从若干个步骤(202、204、206)开 始，它们在性质上为预备性的。这些预备性的步骤涉及广义本构模型的组合，或更具体地讲 为限定广义本构模型的所述多个行为(方框202)和所述多个耦合(方框204)的组合、以 及模型的存储(方框206)。 如上所述，在旨在包括在方框202处的对行为进行组合的过程中，不涉及待建模 材料。相反，广义本构模型包括范围广泛的行为，所述行为中的一个或多个可并入到新材料 的模型中。因此，所可能包括的行为的列表为例证性的，并且因此为非限制性的。此外，如 果已进行了某种尝试以将行为归类，则该分类是基于目前的知识，因而可能会有变化。
这些类别或组的行为可包括弹性行为、塑性行为、速率效应行为、损伤行为、失效 行为、环境行为和尺寸效应行为。在每组行为内存在一个或多个个体行为，可选择个体行为 以便包括在新材料模型中。现在详述每个类别。 弹性行为可包括各向同性、横向各向同性、正交各向异性和各向异性线性和非线 性行为。弹性行为也可包括涉及到张力和压縮的不对称行为(线性和非线性的)。弹性行 为也可包括双线性("组构")行为、各向同性或正交各向异性(其中允许发生模型棘轮效 应)。 塑性行为可根据两个子组来讨论。第一子组可包括涉及屈服准则的那些塑性行 为。第二子组可包括涉及屈服硬化的那些行为。 第一 (或屈服准则)子组可包括mises模型、Hill模型、各种Drucker-Prager 模型和泡沫模型。屈服准则子组也可包括连续帽盖(Conti皿ous C即)模型。
C.D. Foster, R. A. Regueiro， A. F. Fossum， R. I. Borja， Implicit Numerical Integration
Of A Three-Invariant Isotropic/Kinematic Hardening Cap Plasticity Model ForGeomaterials， Computer Methods in Applied Mechanics AndEngineering，
194(2005)， pp. 5109-5138。此外，屈服准则还可包括非二次屈服准则。Xia， Boyce and Parks,International Journal ofSolids and Structures,39，pp. 4053-4071(2002) ;Xia， Mechanicsof Inelastic Deformation and Delamination of P即erboard， Dissertation MIT， (2002)。也可存在多个屈服准则，其中各种张量方向上的屈服行为可彼此独立地发生 或可适当地分组在一起。例如，1和2方向可使用相同的屈服准则，而3方向可利用不同的 屈服准则，并且剪切方向(例如，4、5和6)可具有另一个屈服准则。 第二 (或屈服硬化)子组可包括各向同性硬化。此外，根据Armstrong-Frederick, Voyiadjis-Kattan，或某个其它多项非线性规则，屈服硬化子组可包括动态硬化。 G.Z.Voyiadjis， R.K.A.Al-Rub， Thermodynamic Based Model for the Evolution
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Equation of theBackstress in Cyclic Plasticity, International JournalOfPlasticity，19， pp. 2121—2147(2003)。 速率效应行为可包括粘弹性和粘塑性。粘弹性可根据Prony级数方法用应力弛豫和蠕变响应来表示，并且可包括与所存在的适配于Prony级数的数据点的数目一样多的项。可能需要时间或频率作为对这种行为的输入，并且优选(虽然不是必要的)具有利用时间主曲线的能力。粘塑性可用任何一个或许多标准粘塑性流模型诸如Norton、Hyberbolic和应变硬化流的组合来表示。此处，优选(虽然不是必要的)除了高应变速率效应以外，还应包括初级蠕变以及次级蠕变。优选地(虽然不是必要的)，模型应能够处理从准静态至弹道速度(> 1000s—1)的速率。 损伤行为可包括各向同性、正交各向异性和各向异性行为。损伤行为也可包括粘附性。至于粘附性，所述行为可包括由于脱粘和重新粘附而造成的剥离、粘着或剪切载荷强度的劣化。 失效行为可包括链状拉伸。Bergstrom， Rimnac， Kurtz， MolecularChain Stretchas a Multiaxial Failure Criterion For ConventionalAnd Highly CrosslinkedUHMWPE Journal of Orthopedic Research (2004)。失效行为可基于等效应变或应力，其中失效是基于达到了等效应力或应变，所述应力或应变可根据流体静压力而变化。失效行为可包括正交各向异性失效，诸如Tsai-Hill准则向三维空间的延伸。失效行为可包括全厚度分层(Xia， Mechanics of Inelastic Deformation andDelamination of Paperboard，Dissertation MIT (2002))或粘合型失效诸如剥离、粘着或剪切载荷脱粘。失效也可由应变能量密度或应力冲量指标来限定，包括但不限于Tuler-Butcher准则。
环境行为可包括热效应和水分效应。此类效应可包括膨胀、收縮和溶胀。此类效应也可包括通过与解相关的温度和/或场变量或通过规定的场变量改变各种模型参数。这些效应可以单调或非单调地增大或减小的方式发展。 也可包括多种其它行为，所述行为不是上文所具体包括的。例如，所述行为可包括有限变形。所述行为也可包括应变局部化以虑及各种速率和温度下的颈縮现象。可包括聚合物结晶度禾口 /或交联效应。Do騰len， Parks, Boyce，等人，Journal of Mechanics andPhysics of Solids, 51，第519-541页(2003) ;Bergstrom， Rimnac， Kurtz， PredictionofMultiaxial Mechanical Behavior for Conventional And HighlyCrosslinked UHMWPEUsing A Hybrid Constitutive Model, Biomaterials， 24，第1365-1380页(2003)。所述行为也可包括结晶度场驱动特性进化的程度。所述行为也可包括呈用户自定义变量形式的一般状态变量效应，通过利用所述状态变量函数关系来修改模型参数的值，所述变量可用来模拟不是明确包括在FEA编码中的物理性质，诸如化学老化、增塑作用和其它上文未明确指出的效应。 在如此对行为进行组合之后，可在方框204处对耦合进行组合。在对旨在包括的耦合进行组合的过程中，仍然不涉及待建模材料。相反，广义本构模型包括范围广泛的耦合，所述耦合中的一个或多个可并入在新材料的模型中。耦合将受广义本构模型中所包括的行为影响。例如，可不包括针对如下行为的耦合所述行为未包括在行为的组合中。此外，在此处也是一样，所可能包括的耦合的列表为例证性的，并且因此为非限制性的。
可将耦合表示成直接或间接耦合的形式。如果以矩阵形式表示行为，则可将耦合表示为系数矩阵。实际上，如果选择包括或不包括行为，则均有可能使用用于所有材料的共 用的系数矩阵。换句话讲，如果系数可在其中不包括与系数相关联的行为的模型之间保持 相同，则将不使用系数。这种实施方案的有益效果是，如果包括或可包括附加行为，则用于 耦合此类行为的系数已经存在于矩阵中。 在方框202处对行为进行组合并且在方框204处对耦合进行组合之后，在方框206 处将用行为和耦合表示的广义本构模型存储起来以便将来使用。如上所述，该存储不限于 存储装置的任何一种配置，不论是物理的、逻辑的还是它们两者。有可能将整个模型保留在 单一存储装置(例如，装置150)上。作为另外一种选择，独立的行为或行为类别可独立地 存储，耦合也是一样。 在对模型进行组合和存储之后，该方法200可在方框208处继续。在方框208处， 系统100引导用户完成选择关系到对特定材料建模的行为和耦合的过程。 一般来讲，系统 100将要求用户输入关于待建模材料的信息诸如测试数据，并且系统100将提供输出以引 导用户选择旨在包括在模型中的正确行为。根据某些实施方案，系统100可在提供输出以 引导用户之前对输入执行数学分析，虽然根据其它实施方案，系统100没有必要分析输入， 只要确定已接收到了一个输入或另一个输入即可。此外，根据某些实施方案，系统100还可 基于输入数据以一个或多个FEA编码形式提供对这些行为建模模所需的输入。根据其它实 施方案，系统IOO可仅提供指示以表明应将一个行为或另一个行为并入到模型中。
因此，将认识到，接收输入和提供输出的过程可根据许多不同的实施方案中中的 任何实施方案来实现。此外，在这些各种实施方案中，可以多种不同的型式来表示反映在系 统100中的可帮助所知较少的用户从所述多个行为和耦合来装配材料模型的所收集的认 识、专门知识或经验。例如，所述认识、专门知识或经验可反映在引导用户的一系列问题中， 具体地讲反映在对那些问题的组织、分化等中。作为另外一种选择，所述认识、专门知识或 经验可反映在对输入数据的分析的选择中，所述选择可最佳地引导用户选择一个行为或另 一个行为。作为另一个备选方案，所述认识、专门知识或经验可反映在对输入数据的分析的 输出的选择中，所述选择提供对选择一个行为或另一个行为事项的引导。例如，当将输出以 图形形式显示给用户时，并入到系统100中的认识、专门知识和经验可反映在对旨在标绘 的某些变量、旨在使用的某些标度、旨在观察的某些模式等的选择中。 作为所述方式(其中认识、专门知识和经验并入到系统100中)的仅一个实例，输 入可以结构化形式要求用户作出，所述形式从用户引导出更多输入的集合，并且最终将用 户引导至旨在并入到材料模型中的一个或多个行为。根据此实例，系统100可向用户提供 多个材料或材料类别选项。这些选项可以与材料类别相关的初始问题的形式提供给用户， 后接可引导用户行进至特定材料选择的跟进问题。例如，这些问题可符合树状或枝状结构， 使类别位于树干处并且个体材料位于外部分支处。作为另一个实例，分类系统可包括用于 某些材料的枝状结构，同时紧接用于其它材料的另一个结构。作为另一个备选方案，对多个 可供选择的分类系统的搜索可并行进行。 例如，枝状结构可按照以下用于聚合材料的非限制性实例来发展。聚合材料可分 成无机和有机聚合物。然后无机聚合物可分为天然和合成聚合物。此外，天然聚合物可分为 粘土和砂，而合成聚合物可包括纤维和橡胶。有机聚合物也可分为天然和合成聚合物。天 然有机聚合物可分为多糖、蛋白质和天然橡胶。合成有机聚合物可分为橡胶、塑料和纤维。
将认识到，可将其它聚合物特性用于可供选择的分类结构中。例如，聚合物可分为热固性材料和热塑性材料。除此之外或作为另外一种选择，还可为无定形聚合物和结晶聚合物制定类别(或子类别)。类似地，单体的排列和特性可用来发展不同的共聚物类别(交替共聚物、嵌段共聚物、离聚物等)。 另一种分类结构可基于材料的形式而定。例如，以下材料形式可用来分类材料纤维、蓬松材料、薄膜、纤维质结块、粉末/颗粒、非织造材料、泡沫和复合材料。然后任一这些类别还可进一步划分或细分。作为一个实例，复合材料类别可分为颗粒填充的材料、纤维加固的材料、粘结结块的材料和层压复合材料。 作为另一个选项，材料类别(或子类别)选项可包括纤维质聚合物、烯烃聚合物、丙烯酸类聚合物、氨基塑料聚合物(诸如三聚氰胺)、多糖聚合物、粘合剂聚合物、橡胶聚合物和聚酯聚合物。此外，还能够为聚合复合材料和生物材料制定类别。这些类别中的每种均可包括多个子类别，虽然某些类别可根本不包括子类别。在相同的意义上讲，有可能用单一材料来限定类别，虽然一个类别可包括多个材料。 纤维质聚合物可细化为至少两个子类别纤维质结块和整块材料。纤维质结块可部分地粘结(氢键或具有散布在材料中的粘合剂)或可为无凝聚性的。这些材料可用作例如吸收制品诸如衬垫、尿布等中的芯和存储材料，以及吸收产品诸如毛巾。整块材料包括如纸材之类的材料，诸如可用于例如棉塞的硬纸管。 烯烃聚合物可细化为至少以下子类别纤维质结块、整块材料和泡沫。纤维质结块可包括非织造纤维网和由单组分纤维或双组分纤维制成的厚的多孔材料。这些材料可用作吸收制品诸如衬垫和尿布中的顶片和/或第二顶片。整块材料包括聚乙烯和聚丙烯纤维网，所述材料可用作包装材料。 粘合剂聚合物可包括配制的橡胶热熔性粘合剂、乙烯乙酸乙烯酯、聚氨酯等。此外，还可在非晶质和可结晶的热熔性粘合剂之间作出区分。 橡胶聚合物可包括脂族，诸如乙烯丙烯双烯(EPDM)、以及尿烷和硅氧烷。此类橡胶聚合物可包括热塑性弹性体(TPE)、基于苯乙烯或其它化学物质(诸如尿烷)的嵌段共聚物和Kraton嵌段共聚物。 聚酯聚合物可包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。 聚合复合材料可包括夹心构造、以及具有填充材料的复合材料。夹心构造可包括一个或多个上述类别(诸如源自纤维质聚合物、烯烃聚合物和粘合剂聚合物类别)的组合，它们层化在一起以形成完整的产品或产品组件。至于具有填料的复合材料，所述类别可包括具有填料诸如CaC03、 Ti02的聚合基质复合材料和其它此类材料，这些材料旨在成为一组非限制性的实例。 生物材料包括范围广泛的材料。生物材料可包括人(或动物)身体外部的那些(皮肤、毛发)和内部的那些(脂肪、肌肉、器官、骨头)。生物材料也可包括流出物，诸如粪便、尿液和经液。生物材料可为聚合材料，诸如聚乳酸(PLA)。此外，此类生物材料还可为合成的或源自天然源的材料；后一范畴的实例包括源自树木、谷物等的淀粉和纤维素材料。
也可包括其它材料。例如，可为金属、陶瓷和聚合物制定分类，将这些类别中的每一个以与上文关于聚合物类别所提供的实例类似的型式进行细化。此外，如对于聚合物那样，金属和陶瓷类别可以许多不同的方式来划分，并且对那些各种分类系统的并行或串行分析可由系统100在选择旨在并入到模型中的所述一个或多个行为的过程中进行。 上述实施方案可涉及到对被问的问题进行复杂的组织、布置、选择等，因而所述组
织、布置、选择等可简化对输入的分析并且可简化将输出提供给用户的过程，但将认识到，
如上所述，这不是仅有的方式(其中输入可由系统ioo用来提供关于旨在包括在模型中的
行为的输出)。根据其它实施方案，系统ioo可向用户提供工作表或模板，所述工作表或模
板由系统ioo用来请求输入并显示输出。根据某些实施方案，工作表或模板可包括可用来
分析输入以将所显示的输出提供给用户的内嵌方程或其它分析形式。 根据本公开，这些工作表或模板可提供给用户以作为用户完成了较早一组问题的 结果，所述问题将用户引导至一个或一组工作表或模板，所述工作表或模板旨在由用户使
用以获得进一步的引导。然而，本公开等同地涵盖让用户使用工作表或模板，而系统ioo先
前不响应于例如用户对前述一组问题的回答来确认任一工作表或模板。因此，工作表或模 板可与上述类型的分类系统联合使用，或工作表和模板可反映上述的分类实施方案的可供 选择的实施方案。 然后回到图2，方法200因而行进至方框210，其中系统100根据测试结果来修改 在方框208处组合的模型。尽管根据某些实施方案，方框210可为任选的，但将其包括在所 示出的实施方案中。模型修改可自动执行。换句话讲，修改可由专家系统执行而无需用户
作更多的输入。作为另外一种选择，系统ioo可被编程以根据测试结果对模型进行某些修
改，然后将使用模型执行的模拟结果输出给用户。然后可提示用户根据模拟输出选择模型。
图3A至C和图4联合示出了一个示例性实施方案，其由系统100和用户使用以引 导用户选择旨在包括在材料模型中的一个或多个行为，然后修改用于模拟的模型。在此方 面，可将图3A至C看作是实施图2中的方框208、210的动作的实施方案，而图4结合图3B 和3C所示的方法部分示出了一个示例性图像，所述图像可显示在例如装置102的显示单元 142上。 因而从图3A开始，在方框302处，系统100可提示用户输入对于待建模材料来讲 很重要的条件以便向用户提供测试建议。例如，系统ioo可提示用户输入对于建模过程来 讲很重要的载荷条件、边界条件和变形模式。如上所述，这些提示的确切性质可因实施方案 而异，针对这些提示所用的组织系统也是一样。响应于方框302处的提示，系统100在方框 304处从用户接收信息。实际上，该方法可在方框302、304之间来回迭代直到收集到所需信 息，或提示可在方框302处提供并且信息在方框304处独立地且相继地接收。
然后系统100在方框306处分析用户在方框304处所提供的信息。取决于例如系 统100可建议测试在拉伸载荷、压縮载荷、或剪切载荷下进行。此外，系统100还可建议测试 在具有不同方向性(纵向、横向、平面外)的载荷下进行。所述建议可在方框308处以多种 形式提供给用户，并且可具有变化的特异度。根据本公开的某些实施方案，所述建议可呈测 试矩阵的形式，指定例如载荷、不同的应变水平、重复次数、材料样本数目、速率条件、水分 条件、热条件等。根据其它实施方案，所述建议可简单地包括载荷而不指定例如应变水平、 重复次数、水分条件和热条件。 在图3A的动作和图3B的动作之间的间歇中，用户可对待建模材料进行测试。将 认识到，根据所示出的实施方案，可预期测试将根据在图3A的方框308处所提供的建议来 执行。然而，图3B和3C中的方法的实施方案并不仅限于这种事件序列。例如，除了由系统100在方框308处所建议的测试之外，用户还可决定执行附加测试。就此而论，用户可决定执行除了由系统100在方框308处所建议的测试之外的测试。实际上，如果用户已选择向系统100咨询过建议，用户可计划并执行独立于系统100已作出的任何建议的测试。根据这种实施方案，图3A所示方法的建议部分可被认为是任选的。 因而不论其中发生测试的方式如何，系统100均可在图3B中的方框332处提示用户输入测试数据。作为系统100可如何提示用户的仅一个实例，系统100可向用户提供工作表或模板。工作表可如图4所示地呈现给用户，如被总体命名为400。工作表可具有用于数据输入的第一区域402、用于图形显示的第二区域404和用于行为输出的第三区域406。区域404此时可已经包括图线、图案或图408，所述图线、图案或图408可用于图3B的后续步骤，如下所述。 该方法继续至方框334，其中用户提供数据并且系统100接收数据。根据图4所示的实施方案，显示器的区域402可被指定为由系统100 (具体地讲为工作表400)用以接收数据的机构。区域402可以多种方式限定，并且可包括列表、数组、或矩阵格式。数据可通过例如键盘122输入到区域402中，从而被系统100和工作表400所接收。然而，数据也可从其它文件导入，所述文件可在测试期间由仪器生成，或可为用户编译和/或分析先前测试的产物。例如，此数据可从其它文件中剪切出来并且粘贴到工作表400的区域402中。
该方法300继续至方框336，其中对由系统100在方框334处所接收到的数据进行分析。如前所述，所述分析可通过内嵌在工作表中的方程或其它分析工具来进行。作为另外一种选择，工作表可简单地表示图形用户接口 (GUI)，其允许由系统100接收自用户的数据传递至执行数据分析的其它程序、例行程序、对象等。所述分析甚至可使用简化型式的行为来对所接收到的数据执行，所述行为并入到材料模型中。例如，如果材料旨在在三维空间中建模，则在方法300期间所执行的分析可利用相同行为的一维模型。
—旦执行了方框336的分析，或随着分析的执行，该方法行进至方框338，其中将分析结果(例如，建议的行为)提供给用户。可将结果以多种型式提供给用户。根据其它实施方案，结果可呈关于行为的简单的"是/否"判断的形式，例如其中设计给定工作表以示出一个行为(例如，粘塑性、粘弹性等)。作为另外一种选择，可将结果显示为图形表达形式，如图4所示的区域404中的图形。可将对所接收到的数据的分析结果反映为图形诸如线图410，所述线图并靠反映例如理想行为性能的图线408来显示。作为该方法的一部分，系统IOO可提供呈常数等形式的输出，所述常数被用于所关注行为的一个或多个FEA编码所使用。可在区域406中将这些常数等显示为工作表400的一部分。因此，可允许用户打印输出，然后可将所述输出输入到材料模型中以用相关的编码来描述行为。作为另外一种选择，"剪贴"方法可用来将所述常数等以相关的编码导入到模型中。也将认识到，可提供多个区域406，每个区域均与不同的FEA编码相关联，使得用户可从各种输出区域中选择他或她正使用的FEA编码。 在方框340处接收了所建议的行为之后，该方法可行进至图3C所示的动作。如图所示，图3C所示的动作在方框362处从该方法在图3B中的结束处开始。然而，过渡无需为瞬时的。例如，系统100的一部分可被编程以实施图3B的动作，同时图3C的动作由系统100的其它部分来执行。为了访问这些各种部分，有必要在不同的软件应用之间或甚至在不同的硬件或设备之间进行切换。因此，根据某些实 方案，系统100可提示用户输入关于在图3B中所选择的行为的信息和从先前进行的测试所得的数据，并且可在方框362处从用户接收此信息。 现在系统100可在方框364处执行分析以确定是否需要附加测试以继续进行图3C所示的动作。换句话讲，该方法可能需要具体的测试数据以优化模型，如下所述。优化模型所需的测试数据在数量和/或类型上可不同于引导选择旨在包括的行为所需的信息，如图3B所示。如果系统100确定不需要更多的测试数据，则该方法行进至方框366。然而，如果系统100确定需要更多的测试数据，则该方法行进至方框368，在所述点将向用户提供用于测试的建议。 根据本公开的某些实施方案，在方框364处执行的确定可为任选的。换句话讲，系统IOO可执行必要的分析以确定应获得附加测试结果，但可允许用户超控系统建议。在那些情况(其中关于测试结果的系统建议被超控)下，系统ioo可提供警示以指示在给定所提供的测试结果时不可能优化模型，或可仅在某种水平上提供优化。在此类情况下，如果用户同意往下进行(尽管存在潜在的优化失效或不能完全优化)，则可允许用户超控系统100。 如果已提供了足够的测试数据或如果用户已选择往下进行而不考虑测试数据的充分性，则该方法行进至方框366。在方框366处，系统100运行例行程序以优化在图3B中所选择的模型对所接收到的测试数据的拟合。优化例行程序可由系统IOO自动地选择，或系统可向用户提供多种优化例行程序，用户可从所述优化例行程序中选择所需的旨在执行的例行程序。系统IOO可根据若干个不同的旨在被比较以得出最优拟合的例行程序来运行优化，或可运行单一模型优化。 在方框370处，确定模型的拟合是否按所提供的测试数据得到了优化。根据该方法的那些实施方案(其中允许用户超控系统建议以执行其它测试)，可在某个所获得的优化水平上检查拟合。如果确定拟合已优化，则该方法行进至方框372。如果确定拟合未被优化，则该方法返回方框366以便作进一步的优化，或根据不同的优化例行程序来进行优化。该方法可在方框366、370之间迭代一次以上。 如图所示，方框372、374、376紧接在方框366、370的优化之后。这些方框涉及向用户显示信息、请求用户输入、接收用户的输入。换句话讲，在方框372处，优化模型的结果可以如下方式显示与例如由系统100从用户接收到的实际测试结果进行比较。然后系统100可在方框374处提示用户输入关于优化模型是否准确的输入，并且可在方框376处接收用户的输入。然后此输入可在方框378处由系统100用来独立地或结合其它准确度标记确定模型的准确度，所述标记中的一些可基于系统100对模型的自动分析。
将认识到，方框372、374、376中的全部动作或其中的某些可省略。例如，系统100可在方框372处显示结果，但可在方框380处作出确定而不在方框374、376处请求用户输入和接收用户输入。就此而论，系统100可直接从方框370行进至方框378。
如果系统IOO(具有或没有用户输入)在方框378处确定模型的准确度是可接受的，则该方法以在方框380处提供给用户的模型结束。作为另外一种选择，系统100可在方框382处让用户返回图3B以重新开始基于测试数据选择行为的过程。系统100可向用户返回附加反馈，所述反馈可提供精化的信息或可建议在方框338处包括不同的或附加的行为。
随着方框210的完成，方法200即完成了建立材料模型的过程。现在可将此模型 用于其余的步骤212、214、216。在方框212处，使用所建立的模型来执行一个或多个模拟。 例如，可执行模拟，其中将特定的载荷模式施加到材料上，不论该过程的几何条件如何。作 为一个备选方案，可执行模拟，其中包括该过程的几何条件。除了机械载荷以外也可包括 其它因素，诸如热效应。此外，可通过重复步骤202至210来建立一系列模型，并且在方框 212处执行的模拟可在共用载荷模式下针对所述模型中的每一个来进行。作为另一个备选 方案，一系列模拟可使用相同的模型来执行，但具有不同的载荷。在方框214处，将模拟输 出提供给用户，例如通过在显示单元142上生成视频图像来提供。 在方框216处，用户作出关于材料的确定。例如，在模拟单一载荷的实例中，用户 可确定材料是否将在载荷下失效，因此不适用于预期用途。作为另外一种选择，在使用不同 材料的模型进行一系列模拟的实例中，用户可选择用于产品的材料中的一个以向售方提供 材料规格以便基于对模拟输出的比较来进行进一步的实验室测试、建立改善的实验室方法 或质量保证(QA)规格。关于单一材料在各种载荷下的模拟，用户可基于所模拟的材料的性 能为该部分设立某个范围内的建议公差，或建议进一步的实验室测试以确证模拟的性能。
本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另 外指明，每个这样的量纲均是指所引用的数值和围绕该数值的功能上等同的范围。例如，公 开为"40mm"的量纲旨在表示"约40mm"。 在发明详述中引用的所有文件均以引用方式并入本文。对于任何文件的引用均不 应当被解释为承认其是有关本发明的现有技术。当本发明中术语的任何含义或定义与以引
用方式并入本文的文件中术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语 的含义或定义。 虽然已经举例说明和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域的技术人员 来说显而易见的是，在不背离本发明的实质和范围的情况下可以做出多个其它改变和变 型。因此，权利要求书意欲包括在本发明范围内的所有这样的改变和变型。
1权利要求
一种用于使用广义本构模型对材料进行建模的系统(100)，所述系统包括可操作地耦接到存储器上的处理器，存储在所述存储器中的多个行为，所述多个行为被组合而不考虑特定的待建模材料，存储在所述存储器中的多个耦合，所述多个耦合中的每一个均与所述多个行为中的至少一个行为相关联并且被限定而不考虑特定的待建模材料；所述处理器被编程以从所述多个行为中选择至少一个行为以限定特定材料的本构模型；并且所述处理器被编程以使用所述本构模型来执行模拟。
2. 如权利要求l所述的系统(100)，所述系统包括至少一个用于待建模材料的模板，所 述模板包括所述多个行为中的至少一个行为并被存储在所述存储器中。
3. 如权利要求2所述的系统(100)，其中所述至少一个模板包括根据先前针对特定材 料对所述行为进行的选择而选择的行为。
4. 如前述任一项权利要求所述的系统(100)，所述系统包括所述处理器被编程以向 用户提供关于特定的待建模材料的多个问题；所述处理器被编程以从所述用户接收多个关于所述特定的待建模材料的回答；并且 所述处理器被编程以从所述多个行为中选择至少一个行为以根据接收到的所述回答 来限定所述特定材料的模型。
5. 如前述任一项权利要求所述的系统(100)，其中所述多个行为包括弹性行为、塑性 行为、速率效应行为、损伤行为、失效行为、环境行为和尺寸效应行为。
6. 如前述任一项权利要求所述的系统(IOO)，其中所述材料包括热固性聚合物或热塑 性聚合物。
7. 如前述任一项权利要求所述的系统(100)，其中所述材料包括纤维素聚合物、烯烃 聚合物、丙烯酸类聚合物、氨基塑料聚合物、粘合剂聚合物、聚合复合材料、聚酯聚合物、配 制的粘合剂或生物材料。
8. 如前述任一项权利要求所述的系统(IOO)，其中所述处理器向用户提供所述模拟的 输出。
9. 如权利要求8所述的系统(IOO)，其中所述输出包括确认至少一种用于产品中的材料。
10. —种使用广义本构模型对材料进行建模的方法(200)，所述方法包括 组合多个行为，所述多个行为被组合而不考虑特定的待建模材料； 组合多个耦合，所述多个耦合中的每一个均与所述多个行为中的至少一个行为相关联并且被限定而不考虑特定的待建模材料；从所述多个行为中选择至少一个行为以限定特定材料的模型； 使用所述特定材料的模型来执行模拟以限定模拟输出； 根据所述模拟输出作出关于所述材料的确定。
全文摘要
本发明公开了一种使用广义本构模型对材料进行建模的方法，所述方法包括组合多个行为以及组合多个耦合，所述多个行为被组合而不考虑特定的待建模材料，所述多个耦合中的每一个均与所述多个行为中的至少一个行为相关联并且被限定而不考虑特定的待建模材料。该方法也包括从所述多个行为中选择至少一个行为以限定特定材料的模型、使用特定材料的模型来执行模拟以限定模拟输出、并且根据模拟输出作出关于材料的确定。还提供了用以实施该方法的系统。
文档编号G06F17/50GK101779204SQ200880103512
公开日2010年7月14日 申请日期2008年8月12日 优先权日2007年8月17日
发明者F·W·吉布森, R·W·哈姆 申请人:宝洁公司