一种用于确定响应于施加在其上的场｛ｆ｝而生成势｛ｘ｝的物体的制造参数的装置，包括： 通过将该物体的几何模型离散化为大量有限元并给定相对于有限元的、场｛ｆ｝和势｛ｘ｝的值而生成计算机化的数学模型的生成装置； 基于关系｛ｆ｝＝［ｋ］｛ｘ｝计算材料特性矩阵［ｋ］的计算装置； 对该计算机化数学模型中的每一个有限元，从该材料特性矩阵［ｋ］求得材料特性系数的求得装置； 将求得的材料特性系数和已知材料的材料特性系数进行比较以使求得的材料特性系数和已知材料的材料特性系数相匹配的比较装置；和 确定对应于材料特性系数的制造参数的确定装置。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般涉及物体的制造，更具体，涉及制造具有被优化以适应期望的应用或使用的响应特性的物体的方法和设备。
技术介绍
由一种或多种材料组成的物体，该物体为期望的应用而设计和制造，必须能够承受在使用中施加在该物体上的应力。例如，一座桥，承受小路或公路的压力或例如水体的损害，必须设计得可承受由交通(行人或车辆或二者同时)，温度变化，风，由地震或地质运动等引起的地表的移动，等等产生的应力。同样，飞行器元件必须有足够的强度以承受弯曲，剪切，扭曲，和施加在其上的其它力。因此，在传统的设计过程中，要进行应力分析。应力分析要求确定在使用中施加在物体上的力(或“应力场”)。这些应力包括，例如，热力，机械力和电磁力。知道了应力场便可以确定验性设计和选择的材料是否适于物体承受在其期望的应用过程中产生的应力。如果特定的设计和材料的组合不适用于期望的应用，可重新设计物体和/或选择新材料。上述的传统设计过程将参照图1进行更为详细的描述。物体的初步设计几何形状和组成物体的材料在第11步中定义。几何形状包括尺寸，公差，表面光洁度，面和棱的界定，以及，在一些情况下，两个相啮合部件之间的配合。初步设计几何形状可用本领域中已知的计算机—辅助—设计(CAD)技术生成。在期望的使用中施加在物体上的每一个力，和各个力的作用点和方向，在第12步中确定。应力分析在第13步中进行。进行这种应力分析的一种技术是建立物体的有限元模型并利用有限元方法来确定物体对期望的应用的适应性。有限元方法是一种用于求得大量工程问题的近似解的数值分析技术，在这种方法中，复杂的部分或物体被分解为对该部分或物体的小而简单的细小部分的分析。这种方法已被广泛地讨论，相关内容可参考Huebner等著的《工程师用有限元方法》，第三版，John Witey andSons公司(1995)，后面的讨论中。在连续问题中，由于场变量如压力，温度，位移或应力是物体各点的函数，初始有许多值。有限元方法通过将问题区域划分为元并根据假设的近似函数表示各个元中的未知场变量，从而把问题简化为一个未知的有限数。近似函数根据在被称作节点的特定点上的场变量的值来定义。节点通常位于相邻元连接的元边界上。对于问题的有限元表示法，场变量的节点值成为未知量。一旦得到这些未知量，近似函数便定义了全部组合元的场变量。有限元方法的一个重要特征是具有在把分立元组合以表示整个问题之前对分立元的解进行系统表达的能力。这意味着可以得到每一个分立元的特性然后将元组合起来以得到整个结构的特性。有限元方法可被归纳为以下几个步骤。第一，连续体被离散化为元。可以使用许多种类的元并且在同一求解区域可使用不同种类的元。在给定的问题中，元的数量和形式通常由设计决定。例如，如果是四面体或六面体，三维元最佳。此外，最精确元具有均一纵横比。下一步是确定每一个元的节点，然后选择插值函数来表示元的场变量的变化。一旦有限元模型建立起来，表示分立元性质的矩阵方程就可确定。可使用若干不同的逼近包括直接逼近，变分逼近，或加权残数逼近。然后元的性质被组合以得到系统方程。即，联立表示元的行为的矩阵方程以形成表示整个系统行为的矩阵方程。这时，系统方程被调整以解释问题的各种边界条件。即，施加独立变量的已知节点值或节点负载然后求解所得到的方程组以得到问题的未知节点值。方程的解可被用来计算其它重要参数。例如，在结构问题中，节点未知量是位移分量。通过位移，元的张力和应力可被计算。Huebner教材中关于有限元方法的一个例子将被讨论以帮助理解在本说明书中使用的术语。图2示例了一个线性弹簧系统。对一个典型的弹簧元，表示其刚度的关系是k11-k12-k21k22δ1δ2=F1F2]]>其中k11＝k12＝k21＝k22＝k。在给定的负载条件下，每一个元及元的系统，必处于平衡。如果平衡条件被加在特定的节点i上， ΣFi(e)=Fi(1)+Fi(2)+Fi(3)+···=Ri...(1)]]>这表明节点i上朝一个方向的节点力的和等于施加在节点i上的总外加负载。根据传统的张量概念，刚度矩阵的每一个系数都带有双下标，例如，ij；i是指明由下标为j的位移的单位值产生的力Fi的下标。力Fi是当δj＝1且其它位移固定时存在的力。位移和在该位移方向上的合力具有同样下标。因此，在图2中的线性弹簧系统中的各个节点求解方程(1)，可以看到在节点1，k11(1)δ1+k12(1)δ2＝R1在节点2，k21(1)δ1+(k22(1)+k22(2)+k22(3))δ2+(k23(2)+k23(3))δ3=0]]>在节点3(k32(2)+k32(3))δ2+(k33(2)+k33(3)+k33(4))δ3+k34(4)δ4=0]]>在节点4k43(4)δ3+k44(4)δ4＝F利用矩阵的表示，这组平衡方程可被写为k11(1)k12(1)00k21(1)(k22(1)+k22(2)+k22(3))(k23(2)+k23(3))00(k32(2)+k32(3))(k33(2)+k33(3)+k33(4))k34(4)00k43(4)k44(4)δ1δ2δ3δ4=R100F]]>或{δ}＝{F}…(2)这些方程是整个系统的组合力—位移特征量，是组合刚度矩阵。这些方程只有在被调整到能解释边界条件的情况下才能求解节点位移。可以发现刚度矩阵是下列矩阵的和，每一矩阵表示来自一个对应元的贡献 (1)=k11(1)k12(1)00k21(1)k22(1)0000000000]]>(2)=00000k22(2)k23(2)00k32(2)k33(2)00000]]>(3)=00000k22(3)k23(3)00k32(3)k33(3)00000]]>(4)=0000000000k33(4)k34(4)00k43(4)k44(4)]]>因此，可以发现通过把各个元的贡献相加可以简单地得到组合的或整体的刚度矩阵。同样，利用布尔分布函数或其它分布函数，每一个元的贡献也可从组合的或整体的刚度矩阵确定。因此，为进行应力分析，由初始设计确定组成物体的材料，按第12步所确定的施加在物体上的力，及其它约束或边界条件要输入到有限元模型中。由于力{f}和材料特性矩阵是已知的，由方程(2)采用有限元模型可确定相应的位移{δ}。例如，假设由第12步所确定的力是施加在物体上的负载。那么，由于材料特性矩阵由对材料的初始选择确定，由施加负载导致的位移便可确定。如上所述，这些位移便可用于计算应力和张力。通过利用合适的有限元软件包来执行求解由有限元方法产生的矩阵方程的计算。进行在第14步示例的后处理，以确定设计是否令人满意。该后处理可能包括，例如，材料内部应力和所用材料指示的最大允许应力之间的比较。如果应力太高，流程返回到第11步，在那里该部分可通过增本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯A·ST·维利，
申请(专利权)人：詹姆斯A·ST·维利，
类型：发明
国别省市：
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