利用基于方向的自适应设计的部件制作的制作方法

本申请涉及制作机器部件以及针对动态负载状况优化物体或者机器部件的设计。

拓扑学和自由形态形状优化用于确保诸如机器部件等物体满足设计规范目标。一些设计规范目标包括：当部件经受到动态负载时，部件的响应或者性能的目标。例如，塑性应变、非线性入侵、线性刚度、以及振动频率响应分别可以具有设计规范目标，部件应该满足该设计规范目标以确保部件执行设计标准。

用于优化部件的先前方法包括：将动态负载转变为等效静态负载(esl)以及针对单个负载状况多次重复执行负载分析和优化。

令人期望的是，针对多个负载状况优化部件的设计，以便使得可以在制作中使用最少材料，同时满足部件制作的设计规范目标。

技术实现要素：

根据示例性实施例，一种用于制作部件的方法包括：接收第一部件设计；计算针对负载状况的塑性应变；以及确定所述塑性应变是否满足针对所述负载状况的目标塑性应变。响应于确定塑性应变不满足针对负载状况的目标塑性应变，方法包括：计算针对负载状况的弹性应变；根据塑性应变、目标塑性应变、以及弹性应变来限定线性应变目标；在线性应变小于线性应变目标的情况下优化部件的最小质量；以及输出第二部件设计。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：响应于确定塑性应变满足针对负载状况的目标塑性应变，根据第一部件设计来制作部件。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：接收第二部件设计；计算针对负载状况的第二塑性应变；确定第二塑性应变是否满足针对负载状况的目标塑性应变；以及响应于确定第二塑性应变满足针对负载状况的目标塑性应变，根据第二部件设计来制作部件。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，计算针对负载状况的塑性应变包括：运行非线性模型以计算非线性位移和塑性应变。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：在线性位移等于非线性位移的情况下运行线性模型；计算在负载状况下施加的力，其中，该力是刚度矩阵和线性位移的乘积；以及计算弹性应变。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，弹性应变使用线性分析来计算。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，第一部件设计是用于燃料箱部件的设计。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，部件包括燃料箱。

根据另一示例性实施例，一种用于制作部件的系统包括处理器，该处理器操作用于：接收第一部件设计；计算针对负载状况的塑性应变；以及确定塑性应变是否满足针对负载状况的目标塑性应变。响应于确定塑性应变不满足针对负载状况的目标塑性应变，处理器进一步操作用于：计算针对负载状况的弹性应变；根据塑性应变、目标塑性应变、以及弹性应变来限定线性应变目标；在线性应变小于线性应变目标的情况下优化部件的最小质量；以及输出第二部件设计。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括制作工具，该制作工具操作用于：响应于处理器确定塑性应变满足针对负载状况的目标塑性应变，根据第一部件设计来制作部件。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，在其它实施例中，处理器操作用于：接收第二部件设计；计算针对负载状况的第二塑性应变；确定第二塑性应变是否满足针对负载状况的目标塑性应变；以及响应于确定第二塑性应变满足针对负载状况的目标塑性应变，根据第二部件设计来制作部件。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，计算针对负载状况的塑性应变包括：运行非线性模型以计算非线性位移和塑性应变。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，在其它实施例中，处理器操作用于：在线性位移等于非线性位移的情况下运行线性模型；计算在负载状况下施加的力，其中，该力是刚度矩阵和线性位移的乘积；以及计算弹性应变。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，弹性应变使用线性分析来计算。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，第一部件设计是用于燃料箱部件的设计。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，或者作为替代例，其它实施例包括：其中，部件包括燃料箱。

当结合附图来看如下详细描述时，本公开的上述特征和优点、以及其它特征和优点容易显而易见。

附图说明

其它特征、优点和细节仅仅通过示例的方式出现在如下详细描述中，详细描述参照附图，在附图中：

图1图示了机器部件的示例性实施例；

图2图示了包括处理器的处理系统，该处理器通信地连接至存储器、显示器、以及输入装置；

图3a和图3b图示了用于设计和制作机器的部件的方法的框图；以及

图4图示了制作系统的框图。

具体实施方式

如下描述在性质上仅仅是示例性的并且不意在限制本公开、其应用或者使用。

诸如机器部件等物体可以使用拓扑优化来进行设计以便在部件经受到各种负载状况时优化部件的性能。在各种负载情况下对部件设计进行建模和测试以便确定设计是否满足测试目标。如果设计不满足测试目标，则对设计进行修正并且重新测试直到该设计满足测试目标。

一旦设计的机器部件满足针对各个负载状况的测试目标，就可以使用任何合适的方法来制作机器部件，诸如，例如，用于制作机器部件的注射模塑、冲压、弯曲、锻造、铸造、钎焊、或者焊接。

可以在制作之后在部件上执行测试以便确保部件满足目标规范。

用于拓扑优化的先前方法使用精于解决一些非线性优化问题的等效静态负载(esl)方法。然而，这些先前方法在解决塑性应变优化问题上具有挑战性。

先前等效静态负载(esl)方法通过如下方式来解决塑性应变优化问题：在线性模型中修改每个元件的弹性模数直到线性应变(弹性应变)与非线性应变(塑性应变)相匹配。先前esl方法限制于一个负载状况，因为弹性模数值取决于所应用的负载状况。

这些实施例的优点在于：当解决塑性应变优化问题时，可以应用任何数量的负载状况，以便使得可以在制作部件之前针对每种负载状况优化部件设计。所产生的优化部件满足或者超过测试目标，同时减少用于制作部件的材料。

图1图示了机器部件(部件)100的示例性实施例。机器部件100可以包括任何类型的机器部件。在所图示的示例性实施例中，机器部件100包括示例性燃料箱，该示例性燃料箱应该在各种负载状况下满足塑性应变的设计目标，其中，负载状况是在一个方向(x、x'、y、y’、z、z’)上施加的负载或者力。

负载状况可以包括：例如，部件100从特定高度的坠落测试，以便使得部件100的指定侧降落在硬表面上。部件100可以在计算机上进行建模，并且该模型可以经受到负载状况以便确定塑性应变是否满足针对各个负载状况的目标。如果没有，则对燃料箱的设计进行修改，并且重新测试修改模型以便确定塑性应变是否满足针对各个负载状况的目标。

先前esl方法仅仅会允许一次优化一个负载状况，因为箱材料的弹性模数在测试下取决于特定负载状况。

这些方法使得部件的优化较难且耗时，因为针对一个负载状况优化部件不可能提高部件在另一负载状况下的性能。在一些情况下，针对一个负载状况对部件的优化甚至可能在部件经受到另一负载状况时降低部件的性能。

本文描述的方法和系统提供了一种用于具有多个负载状况的部件设计的优化方案，其不会改变部件材料的弹性模数。这些方法和系统可以应用于优化线性和非线性负载状况，包括：塑性应变、非线性位移、以及其它线性响应(诸如，例如，振动和刚度)。这些方法和系统应用于满足或者超过针对与机器部件相关联的各个负载状况的目标的机器部件制作中。

图2图示了包括处理器202的处理系统200，处理器202通信地连接至存储器204、显示器206、以及输入装置208。

图3a和图3b图示了用于设计和制作机器的部件(诸如，例如，(图1)的部件100)的方法300的框图。方法300可以由(图2的)系统200执行。

参照图3a，在框302中，接收部件设计。部件设计可以包括：例如，表示设计的数据文件，诸如，计算机辅助设计(cad)文件或者其它相似数据。

在框304中，非线性模型(诸如，例如，dyna模型)在系统200上运行。非线性模型计算位移值和塑性应变值其中，m是计算重复的数量，l是负载状况标识符，并且i是元件标识符。

在框306中，系统200确定塑性应变值是否满足目标值其中，t是目标。如果是，则可以在框308中制作部件100。部件100可以使用任何合适的方法或者方法的组合来制作，诸如，例如，用于制作机器部件的注射模塑、冲压、弯曲、锻造、铸造、钎焊、或者焊接。

如果否，则在框310中，运行线性优化模型(例如，genesis模型)，其中，针对每个负载状况线性位移等于非线性位移

在框312中计算针对每个负载状况的力其中，且是刚度矩阵。

在框314中，运行线性分析以便解答针对每个元件i和针对每个负载状况l的弹性应变

参照图3b，在框316中，处理器计算针对每个元件i的线性应变目标其中，函数f可以被表达为幂项乘以系数的总和，其中，

当满足非线性目标应变时，线性应变也应该满足线性目标应变。

参数分析确定最佳项是幂1.0和2.0，因此，可以使用如下等式来定义线性应变：

在框318中，使用框316的计算出的线性应变目标来解决使质量最小化的优化问题，其中，针对每个负载状况和每个元件，

在框320中，在(图2的)显示器206上将更新的部件设计输出至用户。可以在框302中接收更新的部件设计以用于附加测试和优化。

图4图示了制作系统400的框图。系统400包括(图2的)处理系统200，处理系统200输出更新的部件设计，该更新的部件设计包括用于制作工具402的指令以制作设计部件。

制作工具402可以包括任何合适的制作工具或者机器，包括：例如，注射模塑机器和工具、机器工具制作工具、冲压机器、弯曲机器、焊接机器、锻造以及铸造机器。这些制作工具402用于制作(图1的)部件100。

本文描述的方法和系统提供了一种用于具有多个负载状况的部件设计的优化方案，其不会改变部件材料的弹性模数。这些方法和系统可以适用于优化线性和非线性负载状况，包括：塑性应变、非线性位移、以及其它线性响应(诸如，例如，振动和刚度)。这些方法和系统应用于满足或者超过针对与机器部件相关联的各个负载状况的目标的机器部件的制作中。

尽管已经参照示例性实施例对上述公开进行了描述，但本领域的技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以对其元件作出各种改变并且可以用等效物来取代。此外，在不背离本公开的基本范围的情况下，可以作出许多修改以便使特定情况或者材料适应于本公开的教导。因此，本申请并不意在限制于所公开的特定实施例，而是将包括落在本申请的范围内的所有实施例。