专利名称：用于材料寿命预测的系统和方法
技术领域：
本专利申请一般涉及预测柔韧材料的寿命。具体地，本专利申请涉及利用计算装置来建模并预测柔韧材料的寿命。
背景技术：
在许多工艺中，可利用柔韧材料来执行某种功能。由于柔韧材料可接收应变和/或反复的压力，柔韧材料可经受变形并因此最终失效。例如，柔韧材料可用于压花工艺。在压花工艺期间，柔韧材料可经受由非柔韧体所施加的力。由于压花工艺反复地使柔韧材料受力，因此柔韧材料可能开始失效。由于应变可集中在柔韧材料的一个或多个部分上，因此柔韧材料可在应变区域中失效，而其他区域可免于此类失效。相似地，柔韧材料可用于其他工艺，包括旋转密封、粘结、压延、其他制造工艺、自动化工艺等。在此类情况下，柔韧材料可能不仅经受应变，而且经受最终也将导致失效的环境条件。
发明内容
本专利申请包括用于预测柔韧材料的预期寿命的方法的实施例。该方法的一些实施例包括通过计算装置对柔韧材料建模并且模拟柔韧材料上的应变，其中模拟柔韧材料上的应变包括创建应变结果文件。相似地，该方法的一些实施例包括从应变结果文件识别柔韧材料上的至少一个应变能量密度点，访问与柔韧材料相关联的寿命预测曲线以确定材料文件，以及通过组合应变结果文件和材料文件来创建应变-材料文件。该方法的其他一些实施例包括执行软件以预测柔韧材料的一个或多个区域的预期寿命以及预测柔韧材料的预期寿命。本专利申请还包括计算装置的实施例。计算装置的一些实施例包括存储器组件，所述存储器组件存储第一程序、第二程序和第三程序，使得当执行第三程序时，第三程序使计算装置以电子方式对柔韧材料建模并以电子方式模拟柔韧材料上的应变，其中以电子方式模拟柔韧材料上的应变包括创建应变结果文件。另外，第三程序还可被配置成使计算装置从应变结果文件识别柔韧材料上的至少一个应变能量密度点。相似地，第三程序可使计算装置访问与柔韧材料相关联的寿命预测曲线以确定材料文件，通过组合应变结果文件和材料文件来创建应变-材料文件并预测柔韧材料的预期寿命。本专利申请还包括非易失性计算机可读介质的实施例。非易失性计算机可读介质的一些实施例包括用于对柔韧材料建模的第一程序、用于预测柔韧材料的预期寿命的第二程序、以及第三程序，当执行第三程序时，所述第三程序使计算装置对柔韧材料建模并模拟柔韧材料上的应变，其中模拟柔韧材料上的应变包括创建应变结果文件。相似地，在一些实施例中，第三程序使计算装置从应变结果文件识别柔韧材料上的至少一个应变能量密度点并访问与柔韧材料相关联的寿命预测曲线以确定材料文件。在其他一些实施例中，第三程序使计算装置通过组合应变结果文件和材料文件来创建应变-材料文件并预测柔韧材料的预期寿命。
应当理解，前述一般描述和以下详细描述均描述了各种实施例，并且旨在提供用于理解受权利要求书保护的主题的性质和特征的概观或构架。本专利申请包括附图以提供对各种实施例的进一步理解，并且将它们并入本说明书中并构成本说明书的一部分。这些附图示出了本文所述的各种实施例，并连同用来说明受权利要求书保护的主题的原理和操作的说明书。图1A和IB绘出了根据本文所公开的实施例的可用于加工诸如用于压花工艺的柔韧材料；图2绘出了根据本文所公开的实施例的可用来预测柔韧材料的寿命的计算装置；图3绘出了根据本文所公开的实施例的柔韧材料的模拟型式，示出了源自图1A和IB的柔韧材料的预期寿命；图4绘出了根据本文所公开的实施例的用于预测柔韧材料的寿命的方法；并且图5绘出了根据本文所公开的实施例的用于预测柔韧材料的寿命的另一种方法。图6绘出了根据本文所公开的实施例的用于预测柔韧材料的寿命的另一种方法。
具体实施例方式本文所公开的实施例包括用于预测柔韧材料的寿命的系统和方法。在一些实施例中，第三计算机程序可使第一计算机程序对所关注的柔韧材料建模。第三计算机程序还可使第二计算机程序利用源自建模的柔韧材料的数据以用于预测至少一个预期的应变能量密度点和/或柔韧材料的预期寿命。本专利申请也公开了其他实施例。现在参见这些附图，图1A和IB绘出了根据本文所公开的实施例的柔韧材料102，所述柔韧材料可用于加工，诸如用于压花、旋转密封、粘结、和压延和/或其他加工。如图1A所示，柔韧材料102可用来压花片材料，诸如用于女性护理产品、纸巾等的纸材气流成网膜。在该工艺期间，柔韧材料102可采用抵靠非柔韧材料104的辊的形式。通过使柔韧材料102抵靠非柔韧材料104并且在柔韧材料102与非柔韧材料104之间递送片材料，该片材料可被压花有期望的设计。用于压花工艺的力可取决于片材料的类型、柔韧材料的组成、非柔韧材料的组成、和/或其他因素。由于柔韧材料102可呈辊的形状，因此柔韧材料102可在各种区域经受应变。其他反复的接触诸如橡胶对橡胶的接触、橡胶对织造带的接触、以及橡胶对聚合物带的接触也可被建模。相似地，在图1B中，非柔韧材料104被绘出为具有多个柱件104a。这些柱件可为单一柱件图案辊或单一辊中的多个柱件图案。柱件可包括如下结构，所述结构具有约10微米至约180mm的柱件高度；具有约5微米至约170mm的柱件直径(在半高度处);具有约2微米至约170mm的柱件末端半径；具有约O度至约80度的柱件拔模斜度(或多个柱件拔模斜度);以及具有约5微米至约13mm的柱件间距。所述多个柱件104a可被配置成有利于所述至少一个材料片的压花工艺，但也可促使柔韧材料102失效。因此，本文所公开实施例可被配置成确定柔韧材料102的寿命，确定柔韧材料102的至少一个预测的应变能量密度点，并且因此确定可对柔韧材料102、非柔韧材料104和/或柱件104a所作的改变以延长柔韧材料102的寿命。应当理解，柔韧材料102可被构造成如下任何材料，所述材料具有约O至约99.995的肖氏硬度A值，并且在被施加压力时经受变形。柔韧材料的例子为橡胶材料、聚合物材料、硅氧烷材料等。另外，尽管在图1A和IB中柔韧材料102被示出为单层柔韧材料，但这只是一个例子而已。在一些实施例中，柔韧材料102被构造成具有多个不同的层，其中这些层中的每个由不同的材料构成。这些层可各自为柔韧的；然而这不是必需的，因为在一些实施例中，这些层中的至少一个被构造为非柔韧材料。还应当理解，非柔韧材料104可由如下任何材料构成，所述材料不经受通常的失效和/或变形，诸如硬质金属和/或硬质聚合物。尽管非柔韧材料可具有柔韧特性，但相对于柔韧材料102来讲，可认为非柔韧材料是刚性的。还应当理解，图1A和IB的例子只是示例性的，因为它们示出的是压花工艺的一个实施例。可认为其他工艺也在本公开的范围内，它们可包括或可不包括非柔韧材料104。图2绘出了根据本文所公开的实施例的可用来预测柔韧材料102的寿命的计算装置200。在所示的实施例中，计算装置200包括至少一个处理器230、输入/输出硬件232、网络接口硬件234、数据存储部件236 (其存储模拟数据238a、预测数据238b、和/或其他数据)、和存储器组件240。存储器组件240可被配置为易失和/或非易失存储器，并且因此可包括随机存取存储器(包括SRAM、DRAM和/或其他类型的RAM)、闪存存储器、安全数字(SD)存储器、寄存器、光盘(⑶)、数字视频光盘(DVD)和/或其他类型的非易失性计算机可读介质。取决于具体实施例，这些非易失性计算机可读介质可驻留在计算装置200的内部和/或驻留在计算装置200的外部。另外，存储器组件240还可被配置成存储操作逻辑242、结构分析逻辑244a、材料寿命预测逻辑244b和整合逻辑244c。结构分析逻辑244a、材料寿命预测逻辑244b和整合逻辑244c可各自包括多个不同的逻辑片，所述逻辑片可被实施为例如计算机程序、固件和/或硬件。图2中也包括本地接口 246，并且可被实施为总线或其他接口以有利于在计算装置200的各组件之间进行通信。处理器230可包括任何处理组件，所述处理组件为可操作的以接收并执行指令(诸如源自数据存储部件236和/或存储器组件240的指令)。输入/输出硬件232可包括和/或被配置成如下接口，所述接口具有监视器、定位系统、键盘、鼠标、打印机、图像捕获装置、麦克风、扬声器、陀螺仪、指南针、和/或其他用于接收、发送和/或呈现数据的装置。网络接口硬件234可包括和/或被配置成用于与任何有线或无线联网硬件进行通信，包括天线、调制解调器、LAN端口、无线保真(W1-Fi)卡、WiMax卡、移动通信硬件和/或其他用于与其他网络和/或装置通信的硬件。通过该连接，可在计算装置200与其他计算装置之间进行通信。该处理器也可包括和/或耦合到图形处理单元(GPU)。操作逻辑242可包括操作系统和/或用于管理计算装置200的各组件的其他软件。相似地，如上所述，结构分析逻辑244a可驻留在存储器组件240中，并且可被配置成使处理器230接收关于柔韧材料102的信息并以电子方式对柔韧材料102建模。结构分析逻辑244a可类似于ABAQUS 、LS-DYNA 、ANSYS 、C0DE_ASTER 软件，并且还可被配置成执行有限元分析以创建应变结果文件。另外，材料寿命预测逻辑244b还可类似于ENDURICA 软件，并且可被配置成利用源自结构分析逻辑244a的数据的至少一部分。整合逻辑244c可被配置成有利于结构分析逻辑244a、材料寿命预测逻辑244b之间的相互作用，和/或执行其他功能。例如，整合逻辑244c可被配置成访问柔韧材料数据以便提交该数据并将该数据输入结构分析逻辑244a中。整合逻辑244c也可被配置成访问寿命预测曲线，诸如与柔韧材料102相关联的直到失效时的应力(S-N)曲线，从材料寿命预测逻辑244b接收应变文件，并且从应变文件和材料文件创建应变-材料文件。整合逻辑244c也可被配置成从材料寿命预测逻辑244b接收预测的寿命数据，并且提供该数据的至少一部分以供输出。还包括其他功能，并且更详细地描述于下文中。应当理解，图2所示的组件仅是示例性的，并且不旨在限制本公开的范围。尽管图2中的组件被示出为驻留在计算装置200的内部，但这只是一个例子而已。在一些实施例中，这些组件中的一个或多个可驻留在计算装置200的外部。还应当理解，尽管图2中的计算装置200被示出为单一装置，但这也只是一个例子而已。在一些实施例中，结构分析逻辑244a、材料寿命预测逻辑244b和整合逻辑244c可驻留在不同的装置上。另外，尽管计算装置200被示出为具有作为独立逻辑组件的结构分析逻辑244a、材料寿命预测逻辑244b和整合逻辑244c，但这也只是一个例子而已。更具体地，在一些实施例中，单一逻辑片可执行所述功能。图3绘出了根据本文所公开的实施例的柔韧材料302a的模拟型式，示出了源自图1A和IB的柔韧材料102的预期寿命。如上所述，计算装置200可对柔韧材料102建模以创建应变文件。例如，用于结构分析逻辑244a的数据输入可包括表示实际工艺的几何形状、材料特性和加载条件。几何形状和加载条件数据可在内部产生，而材料特性可从内部获得或从外部源获得。应变文件可包括如下应变数据，所述应变数据指示其中应变被施加在柔韧材料102上的区域。应变数据可被格式化为应变文件。应变数据可包括文本文件，所述文本文件包含该模型中的每个元件在不同方向上的应变数值。基于建模的柔韧材料，应变能量密度可包括一个或多个可能遭受失效的点和/或区域。另外，计算装置200还可访问与柔韧材料102相关联的寿命预测曲线以确定材料文件。寿命预测曲线可从公开文献(如果可得的话)获得，和/或用外部销售物产生。该曲线的轴为I轴上的裂缝生长速率和/或应力和X轴上的裂缝驱动力和/或直到失效时的循环数。材料文件可自动地由材料寿命预测逻辑244b从寿命预测曲线确定。材料文件可包括关于柔韧材料的数据，包括模量、初始裂纹尺寸、能量释放速率、以及裂缝生长速率对能量释放速率的幂定律关系。计算装置200随后可创建应变-材料文件，所述文件包括源自应变文件和材料文件的数据。应变-材料文件随后可用来预测柔韧材料102的一个或多个区域(并且在一些实施例中为所有区域)的预期寿命。如图3所示，计算装置200可利用应变-材料文件来预测柔韧材料102的一个或多个区域的预期寿命，并且可提供反映该预测的对模拟的柔韧材料302a的视觉表示。可将所述预测提供为模拟的柔韧材料302a上的预测覆盖308a以提供对预期寿命的视觉表示。如上所述，该预测可经由材料寿命预测逻辑244b和整合逻辑244c进行。应当理解，在压花工艺的一些实施例中，如图1A和IB所示，仅这些辊的一部分被建模，因为目的是分析两个辊在接触时的变形。在一些实施例中，该分析可不考虑片材料的效应，并且可忽略柔韧材料102的粘弹性。预期这些只对预测的应变具有轻微影响。在一些实施例中，该分析也假定柔韧材料102 (和柱件104a)的特性和几何形状在辊的整个宽度和周围上为基本上一致的。图4绘出了根据本文所公开的实施例的用于预测柔韧材料的寿命的方法。如方框450所示，可通过计算装置200来对柔韧材料102建模。在方框452处，可作出关于柔韧材料102上可能的应变能量密度点的确定。在方框454处，可作出关于柔韧材料的预期寿命的预测。在方框456处，可绘制柔韧材料102的可用设计空间和可用材料空间的图谱。设计空间是指约10微米至约180_的柱件高度；约5微米至约170_的柱件直径(在半高度处)；约2微米至约170mm的柱件末端半径；约O度至约80度的柱件拔模斜度；约5微米至约13mm的柱件之间的间距；约0.1mm至约4mm的卩齿合深度；以及约0.5mm至约30mm的橡胶高度。相似地，材料空间是指橡胶材料的特性变化。在方框458处，可从可用设计空间和可用材料空间(和/或可用材料空间的效应)作出关于如下工序的判定，所述工序可被实施成延长柔韧材料102的寿命。取决于工艺，该工序可为柔韧材料102的尺寸的变化、柔韧材料的形状的变化、非柔韧材料的尺寸和/或形状的变化、柱件104a的密度的变化、和/或其他变化。在方框460处，可发送关于这些变化的数据以作为输出。在方框462处，可作出关于该方法是否完成的判定。如果未完成，则该方法可返回至方框450。图5绘出了根据本文所公开的实施例的用于预测柔韧材料的寿命的另一种方法。如方框550所示，可对柔韧材料102建模。在方框554处，可模拟柔韧材料102上的应变，其中模拟柔韧材料102上的应变包括创建应变结果文件。在方框556处，可从应变结果文件识别柔韧材料102上的应变能量密度点。在方框558处，可访问与柔韧材料102相关联的寿命预测曲线以确定材料文件。在方框560处，可通过组合应变结果文件和材料文件来创建应变-材料文件。在方框562处，可执行软件(诸如材料寿命预测逻辑244b)以预测柔韧材料102的预期寿命。在方框564处，可预测柔韧材料102的预期寿命并提供它以供输出。图6绘出了根据本文所公开的实施例的用于预测柔韧材料的寿命的另一种方法。如方框650所示，可执行应力分析以确柔韧材料的定变形历史。如上所述，应力分析可由结构分析逻辑244a执行。在方框652处，可确定应变能量密度。应变能量密度可从结构分析逻辑244a输出，并且可包括从变形历史确定的应力-应变曲线下面的面积。在方框654处，可确定裂缝驱动力。更具体地，这可使用简单工序和/或利用材料寿命预测逻辑244b执行。当利用所述简单工序时，可从结构分析逻辑244a利用应变能量密度输出以作为裂缝驱动力。这对简单张力和小应变可为对有效的。当利用材料寿命预测逻辑244b时，通过计算裂缝能量密度来考虑裂缝驱动力(由于拉伸分量和剪切分量)。该方法涉及多种变形模式和高应变。材料寿命预测逻辑244b也可在某个位置计算多个平面处的裂缝驱动力以确定具有最高裂缝驱动力的平面。无论是利用所述简单工艺还是利用材料寿命预测逻辑244b，均假定某个值作为阈值裂缝驱动力，在所述值以下不发生裂缝生长；并且假定某个值作为临界裂缝驱动力，在所述值以上裂缝生长速率为无穷大。在方框656处，获得了用于材料寿命曲线的裂缝生长速率。更具体地，一旦计算出裂缝驱动力，就从材料寿命曲线获得裂缝生长速率(以m/循环为单位)，所述曲线提供裂缝驱动力与裂缝生长速率之间的关系。在方框658处，一旦获得了裂缝生长速率，就可通过如下方式来预测预期寿命:假定该方法在某个裂缝尺寸达到了寿命的末端，然后计算达到该裂缝尺寸时的循环数。本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所引用的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲旨在表示所引用的值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40mm”。除非明确地排除或换句话讲有所限制，本文所引用的每篇文献，包括任何交叉引用的或相关的专利或专利申请，均据此以引用方式全文并入本文。任何文献的引用不是对其作为本文所公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或者其单独地或者与任何其他参考文献的任何组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入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。尽管举例说明和描述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可作出各种其他的改变和变型。因此，随附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有这些改变和变型。
权利要求
1.一种用于预测柔韧材料的预期寿命的方法，包括: 通过计算装置对所述柔韧材料建模； 模拟所述柔韧材料上的应变，其中模拟所述柔韧材料上的应变包括创建应变结果文件； 从所述应变结果文件识别所述柔韧材料上的至少一个应变能量密度点； 访问与所述柔韧材料相关联的寿命预测曲线以确定材料文件； 通过组合所述应变结果文件和所述材料文件来创建应变-材料文件； 执行软件以预测所述柔韧材料的预期寿命；以及 预测所述柔韧材料的预期寿命。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述柔韧材料包括下列中的至少一种:橡胶材料、聚合物材料和硅氧烷材料。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，还包括预测所述柔韧材料上的所有区域的预期寿命，并且其中识别所述至少一个应变能量密度点包括对所述柔韧材料使用有限元分析。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括确定可用设计空间的效应以确定用于增加所述柔韧材料的预期寿命的工序，其中所述可用设计空间包括约10微米至约180_的柱件高度、约5微米至约170_的直径、约2微米至约170_的末端半径、约O度至约80度的拔模斜度、以及约5微米至约13mm的柱件间距。
5.根据前述 权利要求中任一项所述的方法，还包括确定可用材料空间的效应以确定用于增加所述柔韧材料的预期寿命的工序。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述柔韧材料被用于下列工艺中的至少一种:压花、旋转密封、粘结、和压延。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述柔韧材料包括多个不同的层。
8.一种用于预测柔韧材料的预期寿命的计算装置，包括: 存储器组件，所述存储器组件存储第一程序、第二程序和第三程序，使得当执行所述第三程序时，所述第三程序使所述计算装置执行下列动作: 以电子方式对所述柔韧材料建模； 以电子方式模拟所述柔韧材料上的应变，其中以电子方式模拟所述柔韧材料上的应变包括创建应变结果文件； 从所述应变结果文件识别所述柔韧材料上的应变能量密度点； 访问与所述柔韧材料相关联的寿命预测曲线以确定材料文件； 通过组合所述应变结果文件和所述材料文件来创建应变-材料文件；以及 预测所述柔韧材料的预期寿命。
9.根据权利要求8所述的计算装置，其中所述柔韧材料具有约O至约99.995范围内的肖氏硬度A值，并且包括下列中的至少一种:橡胶材料、聚合物材料和硅氧烷材料。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的计算装置，其中所述第三程序还使所述计算装置预测所述柔韧材料上的所有区域的预期寿命，并且其中识别所述应变能量密度点包括对所述柔韧材料使用有限元分析。
11.根据权利要求8，9或10中任一项所述的计算装置，其中所述第三程序还使所述计算装置确定可用设计空间的效应以确定用于增加所述柔韧材料的预期寿命的工序，其中所述可用设计空间包括约10微米至约180mm的柱件高度、约5微米至约170mm的直径、约2微米至约170_的末端半径、约O度至约80度的拔模斜度、以及约5微米至约13_的柱件间距。
12.根据权利要求8，9，10或11中任一项所述的计算装置，其中所述第三程序还使所述计算装置确定可用材料空间的效应以确定用于增加所述柔韧材料的预期寿命的工序。
13.根据权利要求8，9，10，11或12中任一项所述的计算装置，其中所述柔韧材料被用于下列工艺中的至少一种:压花、旋转密封、粘结、和压延。
14.根据权利要求8，9，10，11，12或13中任一项所述的计算装置，其中所述柔韧材料包括多个不 同的层。
全文摘要
本发明包括用于预测柔韧材料的预期寿命的实施例。一种方法的一些实施例包括通过计算装置对柔韧材料建模并且模拟所述柔韧材料上的应变，其中模拟柔韧材料上的应变包括创建应变结果文件。相似地，该方法的一些实施例包括从应变结果文件识别柔韧材料上的应变能量密度点，访问与所述柔韧材料相关联的寿命预测曲线以确定材料文件，以及通过组合应变结果文件和材料文件来创建应变-材料文件。该方法的其他一些实施例包括执行软件以预测所述柔韧材料的预期寿命以及预测柔韧材料的预期寿命。
文档编号G06F17/50GK103201741SQ201280003615
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月11日 优先权日2011年1月14日
发明者R·古玛拉, M·阿兰德-布兰科, M·J·玛库拉, R·G·科 申请人:宝洁公司