申请/专利权人：西门子工业软件有限公司

申请日：2017-09-26

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN110268401B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2020.09.18#实质审查的生效;2020.06.02#著录事项变更;2019.09.20#公开

摘要：一种用于在计算机辅助设计CAD模型中生成材料皱褶的定量表示的方法，该方法由数据处理系统执行并包括：在CAD模型中接收零件的形状和要被应用于该零件的材料的定义。接收与材料相关的一个或多个参数，并且选择多个可量化方法中的一个或多个，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的皱褶进行建模。提供总结量化结果的预定格式的输出文件。

主权项：1.一种用于在计算机辅助设计CAD模型中设计复合材料零件的方法，所述方法由数据处理系统执行以生成材料皱褶的定量表示，所述方法并且包括：在CAD模型中接收一个零件的形状和以织物层形式要被应用于所述零件的材料的定义；接收与所述材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个或多个可量化方法，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的多个皱褶进行建模；和提供预定格式的输出文件，所述输出文件总结量化结果，其中在量化材料中的一个或多个皱褶的影响时，所述方法还包括确定相对于预定可接受体积所需的材料体积，其中，所述预定可接受体积包括在一平坦表面上所需的所述体积乘以一个缩放因子。

全文数据：一种量化缺陷的方法技术领域本公开涉及计算机辅助设计、绘图“CAD”、制造“CAM”和可视化系统单独地以及统称为“CAD系统”、产品生命周期管理“PLM”系统、以及管理产品和其他物品的数据的类似系统统称为“产品数据管理”系统或PDM系统的一般领域。背景技术PDM系统管理PLM和其他数据。期望具有改进的方法和系统。发明内容各种公开的实施例包括用于量化建模系统中的计算机辅助设计CAD系统模型的缺陷的方法。一种用于在计算机辅助设计CAD模型中生成材料皱褶的定量表示的方法，该方法由数据处理系统执行，可以包括在CAD模型中接收零件的形状和要被应用于该零件的材料的定义；接收与该材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个或多个可量化方法，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的皱褶进行建模；并提供总结量化结果的预定格式的输出文件。数据处理系统可以包括处理器和可访问存储器，数据处理系统被特别配置成执行：在CAD模型中接收零件的形状和要被应用于所述零件的材料的定义；接收与该材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个可量化方法，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的皱褶进行建模；以及提供总结量化结果的预定格式的输出文件。非暂时性计算机可读介质可以用可执行指令编码，所述可执行指令在被执行时使得一个或多个数据处理系统：在CAD模型中接收零件的形状和要被应用于所述零件的材料的定义；接收与该材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个可量化方法，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的皱褶进行建模；以及提供总结材料皱褶的表示的量化结果的预定格式的输出文件。前面已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，使得本领域技术人员可以更好地理解随后的具体实施方式。在下文中将描述形成权利要求主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员将理解，他们可以很容易使用所公开的概念和具体实施例作为修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还将认识到，这种等效构造以其最广泛的形式未脱离本公开的范围。在进行下面的具体实施方式之前，阐述整个本专利文档中使用的某些词或短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其派生词，意指包含但不限于此；术语“或”是包容性的，意指和或；并且术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何设备、系统或其部分，无论这种设备是以硬件、固件、软件还是其中至少两个的某种组合所实现的。应当注意，无论是本地的还是远程的，与任何特定控制器相关联的功能性可以是集中式的或分布式的。在本专利文档中自始至终提供了对某些词和短语的定义，并且本领域普通技术人员将理解，这些定义在许多如果不是大多数实例中适用于这些被定义的词和短语的先前的和未来的使用。虽然一些术语可以包括各种各样的实施例，但是所附权利要求可以将这些术语明确地限制于特定实施例。附图说明现在将参考附图描述根据本公开的方法和系统的示例，其中：图1是可以在其中实现实施例的数据处理系统的框图；图2图示出了可以应用本公开的方法的片材中的皱褶的示例；图3更详细地图示出了图2的一个区域；图4更详细地图示出了图2的另一区域；和，图5是根据所公开的实施例生成材料皱褶的定量表示的方法的流程图。具体实施方式用来在本文档中描述本公开的原理的图1至图5的实施例仅仅是示例性的，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，可以以任何适当布置的设备、装置、系统或方法来实现本公开的原理。图1图示出了可以实现本公开的实施例的数据处理系统的示例，例如被配置为执行如本文所述过程的CAD系统。数据处理系统31包括连接到本地系统总线33的处理器32。本地系统总线将处理器连接到主存储器34和图形显示适配器35，图形显示适配器35可以连接到显示器36。经由连接到本地系统总线33的无线用户接口适配器、或者经由例如到局域网的有线网络，数据处理系统可以与其他系统通信。附加存储器38也可以经由本地系统总线而被连接。用于诸如键盘39和鼠标40之类的其他外围设备或其他指示设备的合适适配器诸如无线用户接口适配器37允许用户向数据处理系统提供输入。其他外围设备可以包括一个或多个IO控制器，诸如USB控制器、蓝牙控制器和或专用音频控制器连接到扬声器和或麦克风。还应当理解，各种外围设备可以连接到USB控制器经由各种USB端口，包括输入设备例如键盘、鼠标、触摸屏、轨迹球、相机、麦克风、扫描仪、输出设备例如打印机、扬声器、或可操作以提供输入或从数据处理系统接收输出的任何其他类型的设备。此外，应当理解，被称为输入设备或输出设备的许多设备都可以提供与数据处理系统的通信的输入并接收与数据处理系统的通信的输出。此外，应当理解，连接到IO控制器的其他外围硬件可以包括被配置为与数据处理系统通信的任何类型的设备、机器或组件。此外，系统可以使用其他类型的输入设备来提供用于操纵对象的输入，诸如鼠标、指针、触摸板、绘图板、轨迹球、操纵杆、小键盘、键盘、相机、捕获运动手势的运动感测设备、或任何能够提供本文所述的输入的其他类型的输入设备。在CAD系统中，用户可能希望为对象建模设计，生成用于制造该对象的制造指令，或者对设计或制造指令进行修改。对一种格式的设计的修改可能对另一种格式的设计产生意外或不期望的影响，特别是在确定生产线过程时，诸如在可能具有复杂形状的零件上切割和组装材料时，因此希望在结果中实现并不仅仅依赖于在投入生产之前的个人主观决定的确定程度。在复合零件中，例如由多层材料构成的产品、诸如金属或塑料支撑层中，覆盖有一层或多层织物层，或多层织物层叠以形成复合织物，纤维在复合织物中的方向对所制造的零件的强度和其他性能因素有很大影响。在制造零件之前确定和测量缺陷、即所制造的零件与原始零件设计的差异，是设计过程的关键点，因为它允许用户在他们制造零件之前确定零件是否将满足用户的要求。如果只能在这个后期才发现所制造的产品无法满足设计规范，没有该信息就进行可能会导致昂贵的错误、浪费的材料和随之产生的成本。本公开还适用于非织造或非针织纤维，其中纤维的方向是不可确定的，但是如此形成的材料可以被用来覆盖某些东西并且仍然在该过程中形成皱褶。在可以是单层或复合织物的零件上的传统制造模拟在零件设计的每个织物层上进行模拟，并且仅能够容易测量零件表面上的纤维方向的变化。然而，在模拟中没有可靠或标准化的方法来测量织物中的皱褶的性质，因为那是织物没有平放在零件表面上的情况。取决于被用来创建织物复合零件的制造过程，在材料或织物复合零件的设计中可能出现各种缺陷。起皱是可能发生的一种缺陷。起皱是由复合织物产生的表面没有平放在铺层表面上的情况，对于零件表面上的给定区域，被用来覆盖表面的织物区域大于零件表面上的区域。这可能具有各种原因，尤其包括在制造期间张力过大或张力不足、在制造期间折叠、或者材料的过度剪切等。目前，基于制造过程的模拟，不存在确定的、客观的方式来表征或测量皱褶的性质。已经提出了使用已经创建的零件的图像分析来检测皱褶的主观方法，但是创建用于确定设计效果的零件在成本和时间上都是昂贵的。模拟或创建的零件的图像分析仅限于显示皱褶的位置，而无法测量那些皱褶的严重性，因为这些方法依赖于用户或专家对严重性的主观解释。基于模拟来测量和表征皱褶是对设计过程具有重大影响的信息，因为它将允许设计者立即确定设计是否满足安全和性能标准，而无需花费时间和资金来创建对设计的物理测试。如果没有这个成本，设计者将能够将更多迭代应用在设计中，从而在将结果发送用于制造之前对优化设计提供更多的灵活性和机会。创建皱褶的客观测量对于设计过程的分析部分也是重要的，因为目前在计算机辅助工程CAE模拟中没有包括起皱影响的标准方法，其中诸如剪切变形之类的其他方面被确定。当前的方法依赖于CAE用户主观地表征皱褶，并且选择性地弱化对应于该皱褶的区域中的模拟材料。按惯例，基于模拟的皱褶评估取决于设计者非常主观的判断，以及来自其他人即，诸如分析师或制造工程师的可能输入。用户可能具有他们希望最大限度地减少皱褶的预定义区域，但他们必须通过调用以前的经验或者可能通过与先前创建的被确定为可接受的零件的图像相比较，来判断模拟的皱褶是否是可接受的。当将起皱的模拟数据发送到CAE时，可以进行皱褶的另一主观判断。由于CAE定义了与零件表面匹配的网格，因此起皱的模拟将与已定义的网格不一致。为了处理这种情况，CAE通常会将来自模拟网格的纤维方向投影到纤维方向的预定义的网格上，然后主观地确定“击倒”因子，该因子被用来有效地弱化在其模拟中的那一点处的材料。为了解决上述问题，本公开描述了一种量化复合材料零件中的皱褶的客观方法。例如，在模拟中，可以定义表示织物复合物的最终几何形状的网格，以及所期望的最终表面的性质。为了提供对织物在表面上的给定点处的皱褶的客观测量，确定表面在该点处的法线以及在法线方向上从表面点绘制的射线与模拟织物的一个或多个交叉点。对于每个交叉点，可以确定距表面点的距离，并且还可以确定在交叉点处的模拟材料或织物的法线。单独地或以任何组合，以下三个因子可以被用来确定该位置处的皱褶的度量：从表面到交叉点的距离、法线差角即，表面法线和织物法线之间的角度差、以及交叉点的数量。可以将皱褶因子定义为单个浮点值，单个浮点值可以组合上面提到的所有三个因子，或者可以将皱褶因子定义为两部分测量，第一部分如上所述组合表面和交叉点之间的距离与法线差异角度，并且第二部分是针对该皱褶已发现多少交叉点的指示。为简单起见，本文的示例图示出了3D零件的2D横截面，但是本公开不限于这种形式，并且还可以应用于3D表面，其具有额外的自由度并且可以同样很好地确定表面和网格法线中的差异。。图2图示出了材料与材料叠层表面之间的关系，在这种情况下是织物复合零件中的织物层和表面层。对复合零件1的设计进行模拟，给出具有所期望的表面2的设计形状和预期织物表面3的模拟，包括折叠或皱褶4a、4b、4c。所期望的表面2是由零件设计者指示为目标表面的表面，并且在理想情况下，所创建的零件将完美地匹配该期望的表面。模拟的织物3是复合织物的制造模拟的结果。如在该示例中可以看到的，存在多个位置4a、4b、4c，在此模拟的织物3偏离了期望的表面2。图3示出了一个区域4c的特写，在此模拟的织物3偏离期望的表面2。对于期望的表面2上的表面点5，在表面法线6的方向上产生射线。确定该射线与模拟的织物3的任何交叉点的位置，得到一个或多个交叉点7。对于这些交叉点7中的每一个，确定织物法线8，即在该点处的模拟的织物3的法线。另外，可以测量从交叉点7到表面点5的距离9。法线差异10即织物法线与表面法线之间的角度中的一个或多个、表面点5与交叉点7之间的一个或多个距离9、以及所存在的交叉点7的数量，可以被用作确定织物3的起皱程度或起皱度的因子。可以以各种方式确定表面点5，包括但不限于通过直接定义在所期望的表面2上的点，或者通过首先确定在模拟的织物3上的点、然后使用熟悉两个表面之间映射点的人员已知的任何方法来确定所期望的表面上的对应点。图4图示出了图2的皱褶4b的更多细节，其具有更大程度的折叠，使得从表面2上的所选表面点15绘制的具有表面法线16的射线在模拟的织物3上的多个点17a、17b、17c处相交。在每个交叉点处，存在定义的织物法线18a、18b、18c。对于这种类型的皱褶，交叉点的数量在该示例中为三个可以被用作确定零件的皱褶度的因子。可以进行每个交叉点处的皱褶因子的确定，并且然后进行组合，或者可以分别使用每个交叉点17a、17b、17c处的皱褶因子。可替代地，可以通过其他方式确定皱褶因子，例如上述的两部分测量，第一部分将表面2和交叉点17a、17b、17c之间的距离19a、19b、19c与法线差异角度组合，并且第二部分是针对该皱褶已发现多少交叉点17a、17b、17c的指示。图5是本公开的方法的步骤的流程图。在CAD模型中接收20产品形状或期望的表面形状的定义。确定21关于在制造过程期间要被应用于形状的材料性质的信息。这可以通过选择作为模拟过程的一部分，或者例如通过产品的类型或所涉及的形状的性质而被预先确定。材料性质可以包括物理性质、材料如何悬垂、或性能特性。如果需要，可以提供22关于制造过程本身的信息。制造过程可能根据所使用的材料或正在制造的产品而不同，并且可能影响材料中的任何折叠或皱褶如何发生并影响最终产品的性质。应用23上述的一种或多种可量化方法，以便针对特定形状、材料以及要被应用的制造过程如果合适的话确定皱褶因子。根据针对每个皱褶的皱褶因子，获得最终制造的物品是否将能够满足设计规格的度量。对于产品的皱褶因子的值可能存在限制，并且可以将模拟的结果与限制进行比较，以便给出结果是否可接受的指示。在输出文件中提供24结果。可以根据需要选择文件，例如，它可以包括用于生产线装备的制造指令、用于有限元素分析包的数据、或者定义所制造的物品如何与诸如椅子或沙发之类的较大产品的其他零件相互配合。输出文件可以形成较大文件的一部分，例如，数据可以与所有零件几何形状和其他数据一起添加到CAD零件文件中。格式可以是导出文件、电子表格或颜色编码图像，这些格式指示需要返工的区域和可接受的区域。在量化材料中的一个或多个皱褶的影响时可以考虑其他因素，诸如在表面上的特定点处或附近检测到的折叠次数、与平坦表面上的相同材料相比而言折叠所引起的任何强度损失的程度、或者与对于该零件所允许的预定量材料相比而言制造该零件所需的材料体积。该预定量或区域可以是由缩放因子所增加的平坦表面所需的材料量。缩放因子可以基于经验或在大量先前成功设计上进行平均。本公开的该方法在确定零件设计的模拟皱褶是否可接受时进行主观判断。使用所期望的表面2作为用于模拟的织物3的比较给出了可以进行准确皱褶测量的强有力参考。如在本公开中描述的皱褶测量可以被用于自动和辅助皱褶分析。所获信息的准确性提高允许以更少的迭代和更少的成本和时间产生用于制造的最终设计包，因为不需要针对每个改变构建原型。即使在概念阶段，该方法也有助于排除不合适的设计并减少要考虑的选项数量。对于在制造时要被集成到更大的配件中的零件而言，模拟数据输出可以被用来在最终决定产品设计之前确定这些零件在整个制造过程中的适用性。包括在数据处理系统中的操作系统使得来自系统的输出能够在显示器36上被显示给用户，并且用户与系统交互。可以在数据处理系统中使用的操作系统的示例可以包括MicrosoftWindowsTM、LinuxTM、UNIXTM、iOSTM和AndroidTM操作系统。另外，应当理解，可以将数据处理系统31实现为在联网环境中、在分布式系统环境中、在虚拟机架构中的虚拟机和或在云环境中。例如，处理器32和相关联的组件可以对应于在一个或多个服务器的虚拟机环境中执行的虚拟机。虚拟机架构的示例包括VMwareESCi、MicrosoftHyper-V、Xen和KVM。本领域普通技术人员将理解，针对数据处理系统31描绘的硬件可以针对特定实现而变化。例如，该示例中的数据处理系统31可以对应于计算机、工作站和或服务器。然而，应该理解，数据处理系统的替代实施例可以配置有相应的或替代的组件，诸如移动电话、平板电脑、控制器板或任何可操作以处理数据并执行与本文所讨论的数据处理系统、计算机、处理器和或控制器的操作相关联的本文所述的功能性和特征的其他系统。所描绘的示例仅出于解释的目的而被提供，并不意味着暗示关于本公开的架构限制。数据处理系统31可以连接到网络不是数据处理系统31的一部分，其可以是本领域技术人员已知的任何公共或私人数据处理系统网络或网络组合，包括互联网。数据处理系统31可以通过网络与一个或多个其他数据处理系统、诸如服务器也不是数据处理系统31的一部分通信。然而，替代数据处理系统可以对应于作为分布式系统的一部分而实现的多个数据处理系统，其中与若干数据处理系统相关联的处理器可以通过一个或多个网络连接进行通信，并且可以共同执行被描述为由单个数据处理系统执行的任务。因此，应当理解，当提及数据处理系统时，这种系统可以被实现横跨分布式系统中组织的若干数据处理系统，所述分布式系统经由网络彼此通信。当然，本领域技术人员将认识到，除非操作序列明确指出或要求，否则上述过程中的某些步骤可以被省略、同时或顺序执行、或以不同顺序执行。本领域技术人员将认识到，为了简单和清楚起见，本文未描绘或描述适于与本公开一起使用的所有数据处理系统的完整结构和操作。相反，仅描绘和描述了对于本公开而言是唯一的或者对于理解本公开而言是必需的数据处理系统。数据处理系统31的其余构造和操作可以符合本领域中已知的各种当前实现和实践中的任何一种。重要的是要注意，尽管本公开包括在全功能系统的上下文中的描述，但是本领域技术人员将理解，本公开的机制的至少部分能够以按照各种形式中的任何形式包含在机器可用、计算机可用或计算机可读介质内的指令的形式被分发，并且本公开同样适用，而不管用于实际执行分发的特定类型的指令或信号承载介质或储存介质如何。机器可用可读或计算机可用可读介质的示例包括：非易失性、硬编码类型介质，诸如只读存储器ROM或可擦除电可编程只读存储器EEPROM，以及用户可记录类型介质，诸如软盘磁盘、硬盘驱动器和光盘只读存储器CD-ROM或数字通用磁盘DVD。尽管已经详细描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在以最广泛的形式未脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行本文公开的各种改变、替换、变化和改进。本申请中的描述均不应被解读为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件：专利主题的范围仅由所允许的权利要求来限定。此外，这些权利要求中没有一个旨在援引美国法典第35章第112f条，除非确切的词语“用于……的装置meansfor”后面跟着分词。

权利要求：1.一种用于在计算机辅助设计CAD模型中生成材料皱褶的定量表示的方法，所述方法由数据处理系统执行并且包括：在CAD模型中接收一个零件的形状和要被应用于所述零件的材料的定义；接收与所述材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个或多个可量化方法，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的多个皱褶进行建模；和提供预定格式的输出文件，所述输出文件总结量化结果。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可量化方法包括确定一个表面上的一点，在该点处在所述织物中出现一皱褶；并且针对那个点，至少执行以下一项：确定所述表面在所述点处的法线，确定所述织物的所述法线并从中导出法线差异角度；确定所述织物在所述点处与所述表面的距离；和，确定在所述法线方向上从所述表面点绘制的射线与所述织物的交叉点的数目。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括确定以下之一：在所述表面上的那个点处的所述皱褶中检测到的折叠的数量；所述材料相对于一平坦表面上的所述材料的强度的强度损失；和，相对于预定可接受体积所需的材料体积。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定可接受体积包括在一平坦表面上所需的所述体积乘以一个缩放因子。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括确定要被应用于所述零件形状和具有所接收参数的所述材料的一制造过程；并且，基于由零件形状、材料特性和制造技术的组合产生的皱褶建模来选择所述一个或多个可量化方法。6.一种用于计算机辅助设计CAD系统的数据处理系统，所述数据处理系统包括：处理器；和可访问存储器，所述数据处理系统被特别配置为执行用于量化材料皱褶的表示的方法，包括：在CAD模型中接收一个零件的形状和要被应用于所述零件的材料的定义；接收与所述材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个可量化方法，用于对由零件形状和材料性质的组合产生的多个皱褶进行建模；和提供预定格式的输出文件，所述输出文件总结量化结果。7.根据权利要求6所述的数据处理系统，还被配置为执行确定一个表面上的一点的步骤，在该点处在所述织物中出现一皱褶；并且针对那个点，至少执行以下一项：确定所述表面在所述点处的法线，确定所述织物的所述法线并从中导出法线差异角度；确定所述织物在所述点处与所述表面的距离；和，确定在所述法线方向上从所述表面点绘制的射线与所述织物的交叉点的数目。8.根据权利要求6或7所述的数据处理系统，还被配置为执行停止确定以下之一：在所述表面上的该点处的所述皱褶中检测到的折叠的数量；所述材料相对于一平面上的所述材料的强度的强度损失；和，相对于预定可接受体积所需的材料体积。9.一种用可执行指令编码的非暂时性计算机可读介质，所述指令在被执行时，使一个或多个数据处理系统：在CAD模型中接收一个零件的形状和要被应用于所述零件的材料的定义；接收与所述材料相关的一个或多个参数；选择多个可量化方法中的一个可量化方法，用于对由所述零件形状和材料性质的组合产生的多个皱褶进行建模；和提供预定格式的输出文件，所述输出文件总结多个材料皱褶的所述表示的量化结果。

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