在计算机辅助设计应用中生成晶格建议的方法和系统技术方案

用于设计三维晶格结构的方法、系统和装置，包括中间编码的计算机程序产品，在一个方面，方法包括：获得包括对象的3D模型的机械问题定义；使用一个或多个加载情况和标识为设计空间的基线材料模型的一个或多个各向同性实体材料生成对于该对象的3D模型的数值模拟模型；在该数值模拟模型中使用晶格结构行为模型代替该基线材料模型，预测设计空间中不同方位的不同晶格设置的性能；以及基于预测的不同方位的不同晶格设置的性能，呈现对于设计空间的一组晶格提议；其中，已经对不同的晶格设置预先计算了该晶格结构行为模型，这些晶格设置可由3D建模程序生成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在计算机辅助设计应用中生成晶格建议的方法和系统

技术介绍
本说明书涉及计算机辅助结构创建，比如利用三维(3D)建模程序生成晶格(lattice)结构，以与增材制造或其他制造系统和技术一起使用。已经开发了计算机辅助设计(CAD)软件并用于生成对象的3D表示。这种软件也已经包括可以用于使用各种尺寸、厚度和密度的晶格和表皮(skin)来增强3D部件的软件工具，其中晶格由在结点(junction)处彼此连接的梁(beam)或支柱组成，并且表皮是覆盖或封装晶格的壳结构。这种工具允许将3D部件快速重新设计为重量更轻，同时仍保持期望的性能特征(例如，刚度和柔韧性)。这种软件工具使用了可以用于生成可以制造的内部晶格结构的各种类型的晶格拓扑。
技术实现思路
本说明书描述了涉及计算机辅助结构创建的技术，比如利用3D建模程序生成晶格结构，用于与增材制造或其他制造系统和技术一起使用。通常，本说明书中描述的主题的一个或多个方面可以体现在由包括处理器和存储器的计算机上的三维(3D)建模程序执行的一个或多个方法中，其中方法包括：获得包括对象的3D模型的机械问题定义，其包括在3D模型中的将在其中生成晶格的设计空间，其中机械问题定义包括(i)被标识为对于设计空间的基线材料模型的一种或多种各向同性实体材料，和(ii)对于3D模型的一个或多个加载情况，该一个或多个加载情况指定一个或多个边界条件，所述边界条件定义对于一个或多个加载情况中的每一个如何将力和约束施加到3D模型；使用一个或多个加载情况以及被标识为对于设计空间的基线材料模型的一个或多个各向同性实体材料生成对于对象的3D模型的数值模拟模型；在数值模拟模型中使用晶格结构行为模型代替基线材料模型，预测设计空间中不同方位的不同晶格设置的性能；并基于预测的不同方位的不同晶格设置的性能，呈现对于设计空间的一组晶格提议；其中，对不同的晶格设置已经预先计算了晶格结构行为模型，其可由3D建模程序生成。预测可以包括：加载对于晶格类型的晶格结构行为模型；使用加载的晶格结构行为模型计算跨对象的3D模型的对于该晶格类型的效率因子；以及旋转与数值模拟模型相关联的应力场以预测该晶格类型在不同方位的性能。不同的晶格设置可以包括晶格拓扑、体积分数(volumefraction)和各向同性实体材料参数。此外，可以使用机器学习技术或插值对不同的晶格设置预先计算晶格结构行为模型。该方法可以包括：接收对该组晶格提议中的一个的选择；并将所选择的晶格并入到3D模型中。呈现该组晶格提议可以包括：在用户界面中显示不同晶格配置的列表；接收在用户界面中对不同晶格配置中的一个或多个的选择；以及启动所选择的不同晶格配置中的一个或多个的实际模拟，用于详细研究和优化。不同的晶格设置可以包括不同的晶格拓扑，晶格结构行为模型可以包括对于各个不同晶格拓扑的不同晶格结构行为模型，并且预测可以包括在数值模拟模型中对于基线材料模型交换不同晶格结构行为模型中的各个晶格结构行为模型。不同晶格结构行为模型可以是代表性体积元素(RepresentativeVolumeElement，RVE)，其对不同晶格设置的结构行为进行近似，并且RVE的每一个可以将晶格行为表达为各向异性实体材料。此外，数值模拟可以是有限元分析(FiniteElementAnalysis，FEA)模型，并且预测可以包括通过在FEA模型中交换晶格的RVE与基线材料模型并在FEA模型中使用RVE而不创建晶格的FEA模型来近似晶格的结构性能，来预测不同晶格设置的性能。RVE中的每一个可以编码被标识为设计空间的基线材料模型的一种或多种各向同性实体材料的晶格拓扑、体积分数和材料特性的函数，并且预测性能可以包括在要求时对于晶格设置的给定组合计算RVE输出。在一些实施方式中，预测不同晶格设置的性能可以包括：使用对于3D模型的数值模拟模型执行单个数值模拟，其中使用具有基线材料模型的各向同性材料特性的实体元素对整个对象建模；以及基于用每个相应晶格的结构行为模型替换每个实体元素的材料所需的应变能的增加来比较不同的晶格设置，其中使用来自单个数值模拟的应力场和来自每个相应晶格的分段连续的应变场来计算应变能。根据另一方面，一种系统可以包括：非暂时性存储介质，具有存储在其上的三维(3D)建模程序的指令；以及一个或多个数据处理装置，被配置为运行该3D建模程序的指令以执行方法中的任意者。该系统还可以包括增材制造机器，其中一个或多个数据处理装置被配置为运行该3D建模程序的指令以将3D模型输出到增材制造机器用于利用并入在其中的所选择的晶格进行对象的增材制造。可以实施本说明书中描述的主题的具体实施例以实现以下优点中的一个或多个。不是使对于给定设计问题的晶格设计变量(例如，拓扑类型、单位尺寸、方位等)的选择按用户(他们通常具有有限的对每个拓扑类型的结构行为的知识)的判断手动进行，而是可以推荐对于设计变量的适合的值，如晶格拓扑类型、单位尺寸和方位，而无需耗费时间、重复模拟。这可以减少依赖于用户基于先验知识或试错而选择晶格设计变量的需要。此外，这可以减少设计优化的资源密集方面，因为可以减少将需要使用不同的设计变量重复的模拟的数量，并且可以快速地将用户引导到适合的一个或多个晶格起点用于对解空间的更深入的探索，即晶格梁厚度和/或其他设计变量的目标驱动的优化。具有不同设计参数的不同晶格的效率可以以逐步资源有效的方式来近似。此外，所描述的过程可以在生产设计过程中实施，其中计算机自动评估许多不同晶格设置和方位以找到晶格的良好(或甚至最佳)值。在拓扑优化期间可以使用晶格行为模型。拓扑优化是可以通过去除实体材料在设计空间中创建空腔(void)的对于轻量(lightweighting)的晶格化的替代。然而，在许多情况下，晶格化和拓扑优化的组合可以提供最佳设计。可以采用两阶段过程，其中拓扑优化阶段之后是晶格化阶段。在拓扑优化期间使用晶格行为模型作为虚拟晶格材料可以帮助考虑到后面的晶格化阶段而确定何时停止拓扑优化，而不需要实际上在优化阶段期间必须创建晶格。因此，拓扑优化阶段可以运作以在整个设计空间中产生实体和空腔的最佳分布，同时还知晓后面的晶格化阶段，在此晶格化阶段期间，实体或空腔区域被晶格替换。此外，晶格行为模型也可以在晶格设计的数值模拟期间使用，其中晶格设计的单位尺寸小，导致非常大数量的晶格梁。来自晶格行为模型的虚拟晶格材料可以代替实际晶格在这种数值模拟期间使用以实现更快的模拟时间。在附图和以下描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求，本专利技术的其他特征、方面和优点将变得显而易见。附图说明图1A示出了可用于设计和制造栅格结构的系统的示例。图1B示出了不同晶格拓扑类型的示例。图2A示出了对不同晶格设置预先计算一个或多个晶格结构行为模型以支持晶格推荐的生成的过程的示例。图2B示出了数值模拟模型设置，其涉及可用于计算线性弹性本构矩阵中的所有行以计算给定晶格的材料特性的数值模型。图2C绘制了几种晶格类型的体积分数的变化的示例。图2D绘制了对于不同单位尺寸的栅格拓扑体积分数的变化的示例。图2E示出了来自图2B的设置的2D(二维)图，包括加载设置、用于测量应变的垂直条带和变形的垂直条带。图2F示出了对于在一个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在包括处理器和存储器的计算机上由三维(3D)建模程序执行的方法，该方法包括：获得包括对象的3D模型的机械问题定义，该3D模型包括在该3D模型中将在其中生成晶格的设计空间，其中该机械问题定义包括(i)被标识为对于该设计空间的基线材料模型的一种或多种各向同性实体材料和(ii)对于该3D模型的一个或多个加载情况，所述一个或多个加载情况指定一个或多个边界条件，该一个或多个边界条件定义对于所述一个或多个加载情况中的每一个如何将力和约束施加到3D模型；使用所述一个或多个加载情况和被标识为对于所述设计空间的基线材料模型的所述一个或多个各向同性实体材料，生成对于所述对象的3D模型的数值模拟模型；在该数值模拟模型中使用晶格结构行为模型代替所述基线材料模型，预测在所述设计空间中不同方位的不同晶格设置的性能；以及基于预测的不同方位的不同晶格设置的性能，呈现对于该设计空间的一组晶格提议；其中，已经对不同晶格设置预先计算了所述晶格结构行为模型，所述不同晶格设置能够由该3D建模程序生成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.27 US 62/328,2191.一种在包括处理器和存储器的计算机上由三维(3D)建模程序执行的方法，该方法包括：获得包括对象的3D模型的机械问题定义，该3D模型包括在该3D模型中将在其中生成晶格的设计空间，其中该机械问题定义包括(i)被标识为对于该设计空间的基线材料模型的一种或多种各向同性实体材料和(ii)对于该3D模型的一个或多个加载情况，所述一个或多个加载情况指定一个或多个边界条件，该一个或多个边界条件定义对于所述一个或多个加载情况中的每一个如何将力和约束施加到3D模型；使用所述一个或多个加载情况和被标识为对于所述设计空间的基线材料模型的所述一个或多个各向同性实体材料，生成对于所述对象的3D模型的数值模拟模型；在该数值模拟模型中使用晶格结构行为模型代替所述基线材料模型，预测在所述设计空间中不同方位的不同晶格设置的性能；以及基于预测的不同方位的不同晶格设置的性能，呈现对于该设计空间的一组晶格提议；其中，已经对不同晶格设置预先计算了所述晶格结构行为模型，所述不同晶格设置能够由该3D建模程序生成。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预测包括：加载对于晶格类型的晶格结构行为模型；使用加载的晶格结构行为模型计算所述晶格类型跨所述对象的3D模型的效率因子；以及旋转与所述数值模拟模型相关联的应力场以预测该晶格类型在不同方位的性能。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不同晶格设置包括晶格拓扑、体积分数和各向同性实体材料参数。4.根据权利要求3所述的方法，其中，使用机器学习技术或插值对所述不同晶格设置预先计算所述晶格结构行为模型。5.根据权利要求1所述的方法，包括：接收对所述一组晶格提议中的一个晶格提议的选择；以及将所选择的晶格并入到所述3D模型中。6.根据权利要求5所述的方法，其中，呈现所述一组晶格提议包括：在用户界面中示出不同晶格配置的列表；接收对用户界面中的所述不同晶格配置中的一个或多个的选择；以及启动对所选择的一个或多个不同晶格配置的实...

【专利技术属性】
技术研发人员：KMK班达拉，H夏雅尼，
申请(专利权)人：内部科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB