采用混合模型进行过程模拟的设备和方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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，本发明专利技术提供了一些方法，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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及过程模拟和分析的方法。更具体地说，本专利技术涉及采用一种多维模型而对喷射模塑进行模拟。
技术介绍
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/或分本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-2-5 60/445,1821.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：余华刚，彼德肯尼迪，
申请(专利权)人：莫尔德弗洛爱尔兰有限公司，
类型：发明
国别省市：IE[爱尔兰]