几何维数控制的优化制造技术

一种计算机实施的方法，该计算机实施的方法自动确定用于制造现实世界对象的优化设计，该方法包括：在基于计算机的处理器的内存中定义表示现实世界对象的有限元模型，有限元包括多个元素；通过基于计算机的处理器，使用奇异值分解(SVD)评估有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对有限元模型的邻域内的每个相应元素的设计变量的奇异值；基于从SVD生成的奇异值，定义针对有限元模型的邻域的优化约束条件；以及基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行邻域内现实世界对象的几何形状，优化有限元模型的设计变量。

【技术实现步骤摘要】
几何维数控制的优化相关申请的交叉引用本申请要求于2019年12月10日提交的、申请号为62/945,961且名称为“几何维数控制的优化(GeometricalDimensionalityControlinOptimization)”的美国临时专利申请的优先权权益。该在先申请的公开内容通过在此引用而整体合并于本申请中。
本公开涉及几何维数控制领域，更具体地，涉及针对几何维数控制的优化的系统和方法。
技术介绍
为现实世界的部件或部件的组装件(例如，对象)的设计提供虚拟环境的许多计算机系统和程序是可获取的。这些系统(其中一些系统称为计算机辅助设计(CAD)系统)使用户能够构建、观察和操纵被设计的现实世界物理对象的三维虚拟模型，该三维虚拟模型有时是复杂的。CAD系统通常被配置为使用例如边缘、线、面等在基于计算机的视觉显示设备上提供任意这样的建模对象的视觉表示。建模对象通常在CAD系统中以CAD文件的形式来表示，该CAD文件包含与基础对象关联的现实世界物理几何形状的计算机可读规范。特定对象可由存储在单个CAD文件或多个CAD文件中的计算机可读代码表示。在一个示例中，CAD文件可包含计算机可读代码，该计算机可读代码表示与现实世界物理对象的现实世界版本相关联的规范(例如，特性)，可以(例如，通过CAD系统)从该规范中识别出与现实世界物理对象相关联的几何形状。根据这些几何形状，CAD系统可以生成关联对象的一个或多个视觉表示，并在计算机显示设备上显示该对象。CAD系统包括(例如，在计算机显示设备上)用于向设计人员表示建模对象的图形工具；这些工具可以配置为有时显示高度复杂的对象。设计优化是一种工程设计方法，其使用设计问题的数学公式来支持在许多替代方案中选择最佳设计。例如，拓扑优化(TO)涉及这样一种
：针对给定的一组载荷、边界条件和约束条件，在给定设计空间内优化材料布局，以使系统的性能最大化。通常，在设计优化领域尤其是拓扑优化领域中存在需要改进的地方。
技术实现思路
在一个方面，一种计算机实施的方法，该计算机实施的方法自动确定用于制造现实世界对象的优化设计，该方法包括：在基于计算机的处理器的内存中定义表示现实世界对象的有限元模型，有限元包括多个元素；通过基于计算机的处理器，使用奇异值分解(SVD)评估有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对有限元模型的邻域内每个相应元素的设计变量的奇异值；基于从SVD生成的奇异值，定义针对有限元模型的邻域的优化约束条件；以及基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行邻域内现实世界对象的几何形状，优化有限元模型的设计变量。在另一方面，公开了一种基于计算机的系统，该基于计算机的系统用于自动确定用于制造现实世界对象的优化设计。基于计算机的系统包括基于计算机的处理器和基于计算机的内存，基于计算机的内存耦合至基于计算机的处理器。基于计算机的内存存储有定义表示现实世界对象的有限元模型的数据；有限元具有多个元素。基于计算机的内存还存储计算机可读指令，计算机可读指令在由基于计算机的处理器执行时使得基于计算机的处理器：使用奇异值分解(SVD)评估有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对有限元模型的邻域内的每个相应元素的设计变量的奇异值；基于从SVD生成的奇异值，定义针对有限元模型的邻域的优化约束条件；以及基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行邻域内现实世界对象的几何形状，优化有限元模型的设计变量。在又一方面，一种非暂时性计算机可读介质，在非暂时性计算机可读介质上存储有计算机可读指令，计算机可读指令在由基于计算机的处理器执行时使得基于计算机的处理器：使用奇异值分解(SVD)评估有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对有限元模型的邻域内的每个相应元素的设计变量的奇异值；基于从SVD生成的奇异值，定义针对有限元模型的邻域的优化约束条件；基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行邻域内现实世界对象的几何形状，优化有限元模型的设计变量。又一个方面针对一种基于计算机的方法，该方法包括：识别有限元模型中的非参数设计变量，使用SVD评估给定有限元设计变量周围的设计变量的分布，获得针对每个设计变量的奇异值，计算来自针对每个设计变量元素的奇异值的优化设计响应，将针对设计变量元素的每种类型的优化设计响应聚合成针对整个设计变量组的单个约束设计响应值，并将聚合的设计响应值实现为结构优化解决方案中的约束条件。在一些实施方式中，存在以下一个或多个优点。例如，各种实施方式以高效的方式提供高效且优化的设计。此外，除了增加其他设计要求例如刚度和强度之外，该方法可以被实施。此外，该方法为潜在的多个任务(强制执行2D、强制执行1D、限制局部材料量、曲率控制、薄/厚控制，控制比例、控制定向)提供了一种实施方式。该方法通常适用于任何有限元网格(结构化/非结构化、任何类型的元素，1D至3D等)。该方法具有直观的设置，且所有应用的测量值的解释和关系相对简单明了。此外，3D打印(也称为增材制造)中的许多制造过程不允许在打印过程中困住粉末。因此，不允许将中空和封闭的结构部件作为可行的可制造设计方案的一部分。在一些实施方式中，可以如下那样将中空和封闭的结构部件从优化的设计中去除：通过几何维数控制将某些奇异值(例如，smid和smin)约束为很小值(例如，近似零)，来强制使部件的结构布局形成为格。另外，许多针对汽车结构的金属部件是薄板制造的结构，因为这些结构具有极具价格竞争力的制造工艺。然而，经常使用TO优化的设计具有较大的材料布局，更适合铸造。因此，可以如下那样来实现薄板制造的优化设计：通过几何维数控制将某些奇异值(例如smax和smid之间的关系)约束为较高值(例如，近似1)，来强制使部件的布局局部地具有膜布局。根据说明书和附图以及根据权利要求，其他特征和优点将显而易见。附图说明图1是用于执行本文公开的设计过程的实施例的计算机系统的简化框图。图2是本文公开的设计过程的实施例的计算机网络环境的简化框图。图3A和图3B表示示出了设计优化过程的示例性实施方式的流程图，该设计优化过程包括基于设计变量的奇异值分解(SVD)来约束设计值。图4A示出了形状为具有给定半径的球体的结构元素。图4B示出了图4A的结构元素中的相对密度场。图4C示出了图4B的相对密度场的元素的质心。图4D示出了由相对密度衡量的、图4C中的元素的质心的坐标。图4E示出了与图4D中的对象的三个维度和点云的相应定向/向量有关的奇异值分解(SVD)值(smax,smid,smin)。图5示出了用于作为例如用于拓扑优化的设计变量的相对密度场的归一化奇异值的、实体(3D对象表示)、虚部(0D对象表示)以及中间体(3D与0D对象表示之间)的关系。图6示出了对于作为例如用于拓扑优化的设计变量的相对密度场的归一化奇异值，实体(3D对象表示)转换为壳、板或膜布局(2D对象表示)。图7示出了对于作为例如用于拓扑优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机实施的方法，所述计算机实施的方法自动确定用于制造现实世界对象的优化设计，所述方法包括：/n在基于计算机的处理器的内存中定义表示现实世界对象的有限元模型，所述有限元包括多个元素；/n通过所述基于计算机的处理器，使用奇异值分解(SVD)评估所述有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对所述有限元模型的所述邻域内的每个相应元素的设计变量的奇异值；/n基于从所述SVD生成的所述奇异值，定义针对所述有限元模型的所述邻域的优化约束条件；以及/n基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行所述邻域内所述现实世界对象的几何形状，优化所述有限元模型的所述设计变量。/n

【技术特征摘要】
20191210 US 62/945,9611.一种计算机实施的方法，所述计算机实施的方法自动确定用于制造现实世界对象的优化设计，所述方法包括：
在基于计算机的处理器的内存中定义表示现实世界对象的有限元模型，所述有限元包括多个元素；
通过所述基于计算机的处理器，使用奇异值分解(SVD)评估所述有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对所述有限元模型的所述邻域内的每个相应元素的设计变量的奇异值；
基于从所述SVD生成的所述奇异值，定义针对所述有限元模型的所述邻域的优化约束条件；以及
基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行所述邻域内所述现实世界对象的几何形状，优化所述有限元模型的所述设计变量。


2.根据权利要求1所述的计算机实施的方法，所述方法进一步包括：
更新所述有限元模型中的所述元素中给定的元素的特性，以反映优化的设计变量，从而创建用于制造的所述现实世界对象的优化模型。


3.根据权利要求2所述的计算机实施的方法，所述方法进一步包括：
通过所述基于计算机的处理器确定优化是否已收敛；以及
根据所述基于计算机的处理器的确定的结果：
开始新的优化周期；或者
创建最终的优化设计，
其中，如果针对相关联的设计响应的约束条件已被满足以及如果相关联的目标函数已被优化，则所述基于计算机的处理器确定所述优化已收敛。


4.根据权利要求2所述的计算机实施的方法，所述方法进一步包括：
使得根据所述最终的优化设计来制造所述现实世界对象。


5.根据权利要求1所述的计算机实施的方法，其中，所述设计变量表示相对密度，并且其中，设计响应表示柔量、刚度、应力、应变、力、模态本征频率和/或其他典型的结构设计响应。


6.根据权利要求1所述的计算机实施的方法，其中，定义优化约束条件包括：
通过所述基于计算机的处理器，将平滑近似函数应用于从所述SVD生成的所述奇异值中的每一个奇异值，以生成平滑的近似值；
通过所述基于计算机的处理器，通过执行SVD来识别附加值，其中所有元素的设计变量的值被设置为预定值；以及
利用所述平滑的近似值和所述附加值来计算所述优化约束条件。


7.根据权利要求1所述的计算机实施的方法，其中，使用奇异值分解(SVD)评估所述有限元模型的邻域内的设计变量的分布，包括：使用所述基于计算机的处理器以：
从所述基于计算机的处理器的内存中读取数据，所述数据表示来自内存的所述有限元模型的几何描述；
基于所述数据求解所述有限元模型的平衡；
基于所述数据，对针对所述设计变量的设计响应和平衡设计响应以及相关联的灵敏度进行建模；以及
确定用于几何维数控制的、针对设计变量的设计响应和所计算的奇异值的灵敏度。


8.根据权利要求7所述的计算机实施的方法，其中，定义优化约束条件包括：
通过所述基于计算机的处理器应用所述设计响应来定义优化问题，所述优化问题包括要满足的约束条件和待优化的目标函数。


9.根据权利要求8所述的计算机实施的方法，其中，定义优化约束条件进一步包括：
通过所述基于计算机的处理器，使用基于设计目标、设计响应和所述设计响应的灵敏度的用户定义值的优化计算，来求解所述优化问题。


10.一种基于计算机的系统，所述基于计算机的系统用于自动确定用于制造现实世界对象的优化设计，所述基于计算机的系统包括：
基于计算机的处理器；以及
基于计算机的内存，所述基于计算机的内存耦合至所述基于计算机的处理器，
其中，所述基于计算机的内存存储有定义表示现实世界对象的有限元模型的数据，所述有限元包括多个元素，并且
其中，所述基于计算机的内存存储计算机可读指令，所述计算机可读指令在由所述基于计算机的处理器执行时使得所述基于计算机的处理器：
使用奇异值分解(SVD)评估所述有限元模型的邻域内的设计变量的分布，以生成针对所述有限元模型的邻域内的每个相应元素的设计变量的奇异值；
基于从所述SVD生成的所述奇异值，定义针对所述有限元模型的所述邻域的优化约束条件；以及
基于定义的优化约束条件，通过局部地强制执行所述邻域内...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·耶森，C·B·W·彼泽森，托尔斯滕·霍斯特·亨利克·密恰尔斯基，
申请(专利权)人：达索系统西姆利亚公司，
类型：发明
国别省市：美国;US