背景技術(shù)：

1、本說明書涉及物理結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計，所述物理結(jié)構(gòu)可使用增材制造、減材制造和/或其他制造系統(tǒng)和技術(shù)來制造。

2、已經(jīng)開發(fā)了計算機輔助設(shè)計(cad)軟件并使用它來生成對象的三維(3d)表示，并且已經(jīng)開發(fā)了計算機輔助制造(cam)軟件并使用它來評估、計劃和控制這些對象的物理結(jié)構(gòu)的制造，例如，使用計算機數(shù)控(cnc)制造技術(shù)來進行。通常，cad軟件使用邊界表示(b-rep)格式存儲正在建模的對象的幾何圖形的3d表示。b-rep模型是一組連接的曲面元素，所述曲面元素指定所建模的3d對象的固體部分與非固體部分之間的邊界。在b-rep模型(通常稱為b-rep)中，幾何圖形使用平滑且精確的數(shù)學(xué)曲面存儲在計算機中，這與網(wǎng)格模型的離散和近似曲面形成對比，后者可能難以使用在cad程序中。

3、cad程序已經(jīng)與減材制造系統(tǒng)和技術(shù)結(jié)合使用。減材制造是指通過切除部分庫存材料而從庫存材料(通常是比3d對象大的“坯件”或“工件”)產(chǎn)生3d對象的任何制造過程。此類制造過程通常涉及在從粗加工操作開始、可選半精加工操作和精加工操作的一系列操作中使用多個cnc機床切割工具。除了cnc加工之外，其他減材制造技術(shù)包括電極放電加工、化學(xué)加工、水射流加工等。相比之下，增材制造(也稱為固體自由形式制造或3d打印)是指在一系列層或橫截面中由原材料(通常是粉末、液體、懸浮液或熔融固體)構(gòu)建3d對象的任何制造過程。增材制造的實例包括熔絲制造(fff)和選擇性激光燒結(jié)(sls)。由原材料構(gòu)建3d對象的其他制造技術(shù)包括鑄造和鍛造(熱鍛和冷鍛兩者)。

4、此外，cad軟件已經(jīng)被設(shè)計為針對一個零件或者將制造的零件的較大系統(tǒng)中的一個或多個零件執(zhí)行3d幾何圖形的自動生成(生成設(shè)計)。這種3d幾何圖形的自動化生成往往受限于由cad軟件的用戶指定的設(shè)計空間，并且3d幾何圖形生成通常受制于設(shè)計目標和約束，所述設(shè)計目標和約束可由cad軟件的用戶或另一方定義并且被導(dǎo)入到cad軟件中。設(shè)計目標(諸如最小化廢棄材料或設(shè)計零件的重量)可用于推動幾何圖形生成過程朝向更好的設(shè)計發(fā)展。設(shè)計約束可包括單獨零件的結(jié)構(gòu)完整性約束(即，要求在零件使用期間，零件在預(yù)期結(jié)構(gòu)載荷下不應(yīng)當(dāng)失效)和由較大系統(tǒng)強加的物理約束(即，要求零件在使用期間不干擾系統(tǒng)中的另一個零件)兩者。此外，設(shè)計約束的實例包括最大質(zhì)量、在載荷下的最大偏轉(zhuǎn)、最大應(yīng)力等。

5、一些cad軟件已經(jīng)包括使用各種大小、厚度和密度的晶格和蒙皮來促成3d幾何圖形增強的工具，其中晶格由在接合處彼此連接或直接連接到固體零件的梁或支柱組成，并且蒙皮是覆蓋或封裝晶格的外殼結(jié)構(gòu)。此類工具允許重新設(shè)計3d零件以減輕重量，同時仍然維持期望的性能特性(例如，剛度和柔韌性)。此類軟件工具已經(jīng)使用各種類型的晶格拓撲，所述晶格拓撲可用于生成可制造的晶格結(jié)構(gòu)。

6、此外，生成設(shè)計過程的輸入可包括指定生成設(shè)計過程的邊界條件的一組輸入固體(b-rep輸入)，但是許多現(xiàn)代生成設(shè)計求解器并不直接在其輸入固體的確切的曲面邊界表示上操作。相反，對b-rep進行采樣并且用諸如水平集或四面體或六面體網(wǎng)格等體積表示進行替代，這對于由求解器計算的物理模擬和材料合成來說明顯更為方便和有效。輸入固體集可包括“保留體”，所述保留體應(yīng)當(dāng)始終存在于設(shè)計中，并且表示應(yīng)當(dāng)在上面應(yīng)用邊界條件(例如，機械載荷和約束)的系統(tǒng)的其他零件或位置的界面。應(yīng)當(dāng)或不應(yīng)當(dāng)生成幾何圖形的其他區(qū)域也可以類似的方式提供，諸如定義“障礙體”的輸入固體，其表示不應(yīng)當(dāng)生成新的幾何圖形的區(qū)域。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本說明書描述了涉及使用生成設(shè)計過程進行物理結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計的技術(shù)，其中物理結(jié)構(gòu)的三維(3d)模型可被產(chǎn)生為在載荷循環(huán)內(nèi)防止損傷，并且其中由此產(chǎn)生的物理結(jié)構(gòu)之后可使用增材制造、減材制造和/或其他制造系統(tǒng)和技術(shù)來制造。

2、一般而言，本說明書中描述的主題的一個或多個方面可體現(xiàn)于一種或多種方法中，這些方法包括：由計算機輔助設(shè)計程序獲得制造對應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)將依據(jù)的建模對象的設(shè)計空間、所述建模對象的一個或多個設(shè)計標準、所述物理結(jié)構(gòu)的一種或多種使用中載荷狀況和制造所述物理結(jié)構(gòu)所用的材料的一個或多個規(guī)范，其中所述一個或多個設(shè)計標準包括所述建模對象在所述物理結(jié)構(gòu)的所述一種或多種使用中載荷狀況中的每一者下的所需載荷循環(huán)數(shù)，并且所述一個或多個規(guī)范包括使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)的數(shù)據(jù)；由所述計算機輔助設(shè)計程序根據(jù)所述一個或多個設(shè)計標準、所述物理結(jié)構(gòu)的所述一種或多種使用中載荷狀況和所述一個或多個規(guī)范來迭代地修改所述設(shè)計空間中的所述建模對象的生成設(shè)計的三維形狀，其中所述迭代地修改包括：根據(jù)所述三維形狀的當(dāng)前型式和所述一種或多種使用中載荷狀況來執(zhí)行所述建模對象的數(shù)值模擬以產(chǎn)生所述建模對象的物理響應(yīng)的當(dāng)前數(shù)值評估；針對所述物理結(jié)構(gòu)的所述一種或多種使用中載荷狀況中的每一者從所述建模對象的所述物理響應(yīng)的所述當(dāng)前數(shù)值評估中查找最大化的應(yīng)力或應(yīng)變元素；使用所述最大化的應(yīng)力或應(yīng)變元素和使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)的所述數(shù)據(jù)來確定所述物理結(jié)構(gòu)的所述一種或多種使用中載荷狀況中的每一者的預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)；基于根據(jù)所述建模對象的所述所需載荷循環(huán)數(shù)以及所述物理結(jié)構(gòu)的所述一種或多種使用中載荷狀況中的每一者的所述預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)來計算的損傷分數(shù)而重新定義所述建模對象的疲勞安全系數(shù)不等式約束；至少根據(jù)所述疲勞安全系數(shù)不等式約束來計算所述三維形狀的水平集表示中的隱式曲面的形狀變化速度；使用所述形狀變化速度來更新所述水平集表示以產(chǎn)生所述建模對象的所述三維形狀的更新型式；以及至少重復(fù)所述執(zhí)行、所述查找、所述確定、所述重新定義、所述計算和所述更新，直到已經(jīng)執(zhí)行預(yù)定義次數(shù)的形狀修改迭代，或者直到所述設(shè)計空間中的所述建模對象的所述生成設(shè)計的三維形狀針對所述一個或多個設(shè)計標準和所述一種或多種使用中載荷狀況收斂于穩(wěn)定解為止；以及由所述計算機輔助設(shè)計程序提供所述建模對象的所述生成設(shè)計的三維形狀以用于使用一個或多個計算機控制的制造系統(tǒng)來制造對應(yīng)于所述建模對象的所述物理結(jié)構(gòu)。

3、所述一個或多個規(guī)范可包括制造所述物理結(jié)構(gòu)所用的相應(yīng)的不同材料的兩個或更多個規(guī)范，所述數(shù)據(jù)包括針對所述不同材料中的每一者的使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)的數(shù)據(jù)，確定所述預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)包括確定所述不同材料中的每一者的單獨的預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)，并且重新定義所述疲勞安全系數(shù)不等式約束包括：基于根據(jù)所述不同材料的所述預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)中的相應(yīng)的預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)來計算的相應(yīng)的損傷分數(shù)而計算所述不同材料中的每一者的單獨的疲勞安全系數(shù)；以及使用所述不同材料的所述疲勞安全系數(shù)的最小值來重新定義所述建模對象的所述疲勞安全系數(shù)不等式約束。

4、所述物理結(jié)構(gòu)的所述一種或多種使用中載荷狀況可包括所述物理結(jié)構(gòu)的兩種或更多種使用中載荷狀況，所述一個或多個設(shè)計標準可包括所述建模對象在所述物理結(jié)構(gòu)的所述兩種或更多種使用中載荷狀況中的每一者下的所需載荷循環(huán)數(shù)，并且計算所述不同材料中的每種相應(yīng)的材料的所述單獨的安全系數(shù)可包括：對對應(yīng)于所述兩種或更多種使用中載荷狀況的載荷特定損傷分數(shù)進行求和，其中每個載荷特定損傷分數(shù)可包括將關(guān)于所述不同材料中的一者和所述使用中載荷狀況中的一者的預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)除以關(guān)于所述使用中載荷狀況中的所述一者的所述所需載荷循環(huán)數(shù)；以及對所述載荷特定損傷分數(shù)的所述和求倒數(shù)以獲得所述單獨的安全系數(shù)。

5、計算所述形狀變化速度可包括使用根據(jù)所述疲勞安全系數(shù)的形狀導(dǎo)數(shù)確定的梯度來計算至少一個形狀變化速度。

6、獲得所述兩個或更多個規(guī)范可包括接收關(guān)于所述不同材料中的每一者的數(shù)據(jù)點集合，所述數(shù)據(jù)點中的每一者包括載荷循環(huán)數(shù)和疲勞強度值數(shù)據(jù)對，并且確定所述不同材料中的每一者的所述單獨的預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)可包括：從擬合到使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)的所述數(shù)據(jù)的塑性區(qū)域和彈性區(qū)域中的所述數(shù)據(jù)點集合的一條或多條曲線返回載荷循環(huán)數(shù)；以及從使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)的所述數(shù)據(jù)的耐久區(qū)域中的所述數(shù)據(jù)點集合返回最高載荷循環(huán)數(shù)。

7、計算所述形狀變化速度可包括使用根據(jù)形狀導(dǎo)數(shù)公式確定的量來計算至少一個形狀變化速度，所述形狀導(dǎo)數(shù)公式近似于所述疲勞安全系數(shù)的形狀導(dǎo)數(shù)。

8、近似于所述疲勞安全系數(shù)的所述形狀導(dǎo)數(shù)的所述形狀導(dǎo)數(shù)公式可包括基于體積分數(shù)或應(yīng)力的不等式約束，所述基于體積分數(shù)或應(yīng)力的不等式約束使用重要性系數(shù)來修改，所述重要性系數(shù)基于所述迭代地修改的先前迭代中是否違反一個或多個其他約束而進行調(diào)整。

9、所述一種或多種方法可包括：在所述迭代地修改的多次迭代中在初始目標值與最終目標值之間調(diào)整所述基于體積分數(shù)或最小厚度的不等式約束的目標值；以及當(dāng)在所述多次迭代中調(diào)整所述目標值時，使用比例積分微分控制器來穩(wěn)定對根據(jù)所述形狀導(dǎo)數(shù)公式確定的所述量所作的改變。

10、所述一種或多種方法可包括使用比例積分微分控制器來調(diào)整根據(jù)所述形狀導(dǎo)數(shù)公式確定的所述量對所述更新中所使用的所述形狀變化速度的總體貢獻。

11、所述查找可包括至少基于所述建模對象的所述物理響應(yīng)的所述當(dāng)前數(shù)值評估中的應(yīng)力分布的標準偏差而計算使用中載荷狀況的最大應(yīng)力值。

12、本文描述的這些和其他方法可使用編碼計算機輔助設(shè)計程序的非暫時性計算機可讀介質(zhì)來實現(xiàn)，所述計算機輔助設(shè)計程序可操作來使一個或多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備執(zhí)行一種或多種方法。在一些實現(xiàn)方式中，一種系統(tǒng)包括：非暫時性存儲介質(zhì)，所述非暫時性存儲介質(zhì)上存儲有計算機輔助設(shè)計程序的指令；以及一個或多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備，所述一個或多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備被配置為運行所述計算機輔助設(shè)計程序的所述指令以執(zhí)行所述一種或多種方法。此外，此類系統(tǒng)可包括增材制造機器或其他制造機器，并且所述一個或多個數(shù)據(jù)處理設(shè)備可被配置為運行所述計算機輔助設(shè)計程序的所述指令以根據(jù)所述三維模型為此類機器生成指令(例如，用于所述增材制造機器的工具路徑規(guī)范)，并且通過由所述機器使用所述指令(例如，所述增材制造機器使用所述工具路徑規(guī)范)來制造對應(yīng)于所述對象的所述物理結(jié)構(gòu)。

13、本說明書中描述的主題的具體實施方案可被實現(xiàn)來達成以下優(yōu)點中的一個或多個。可根據(jù)設(shè)計對象的定義壽命來優(yōu)化設(shè)計。在拓撲優(yōu)化期間，還可滿足疲勞最優(yōu)設(shè)計要求，例如，基于結(jié)構(gòu)載荷的具有疲勞約束的要求。要求可為例如針對使用中載荷狀況的循環(huán)數(shù)或者轉(zhuǎn)換為循環(huán)數(shù)的時間段。本說明書中描述的技術(shù)可應(yīng)用于具有多種不同材料的對象，并且單獨的疲勞約束可根據(jù)對應(yīng)的材料信息和指定的載荷狀況來計算。因此，通過相對于用戶指定的疲勞約束生成設(shè)計，對象的所得的設(shè)計可防止對應(yīng)的物理對象的嚴重失效，否則如果對象在重復(fù)載荷期間遭受疲勞損傷，則可能會出現(xiàn)所述嚴重失效。

14、該過程可自動地并結(jié)合其他技術(shù)一起執(zhí)行，諸如水平集方法、固體各向同性材料懲罰(simp)方法、常規(guī)的貼體求解器、用于提高穩(wěn)定性的備份和恢復(fù)、防止連接斷開的幾何圖形的特定于載荷狀況的平流、比例積分微分(pid)控制器、其他自適應(yīng)控制器和相關(guān)技術(shù)，包括自適應(yīng)pid調(diào)諧、pid自動調(diào)諧，可使用后一者來滿足任意設(shè)計約束。

15、本公開的至少一實施例公開了一種方法，包括：由計算機程序獲得建模對象的一種或多種載荷狀況和一個或多個設(shè)計標準，其中所述一個或多個設(shè)計標準包括所述建模對象的所需載荷循環(huán)數(shù)；由所述計算機程序根據(jù)所述一個或多個設(shè)計標準和所述一種或多種載荷狀況迭代修改所述建模對象的三維形狀，其中所述迭代修改包括基于所述建模對象的所述所需載荷循環(huán)數(shù)與預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)的比較來實施疲勞安全系數(shù)約束，并且根據(jù)(i)在所述建模對象的物理響應(yīng)的當(dāng)前數(shù)值評估中發(fā)現(xiàn)的所述建模對象的應(yīng)力或應(yīng)變值，以及(ii)一種或多種材料的使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)來計算預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)；以及由所述計算機程序提供所述建模對象的所述三維形狀以用于使用一個或多個計算機控制的制造系統(tǒng)來制造對應(yīng)于所述建模對象的物理結(jié)構(gòu)。

16、本公開的至少一實施例公開了一種系統(tǒng)，包括：與網(wǎng)絡(luò)通信耦合的第一計算機，所述第一計算機包括其上存儲有計算機程序的指令的第一非暫時性存儲介質(zhì)；以及與所述網(wǎng)絡(luò)通信耦合的第二計算機，所述第二計算機包括其上存儲有計算機程序的指令的第二非暫時性存儲介質(zhì)；其中所述計算機程序的所述指令被配置為使所述第一計算機和所述第二計算機協(xié)同操作以獲得建模對象的一種或多種載荷狀況和一個或多個設(shè)計標準，其中所述一個或多個設(shè)計標準包括所述建模對象的所需載荷循環(huán)數(shù)，根據(jù)所述一個或多個設(shè)計標準和所述一種或多種載荷狀況迭代修改所述建模對象的三維形狀，其中所述迭代修改包括基于所述建模對象的所述所需載荷循環(huán)數(shù)與預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)的比較來實施疲勞安全系數(shù)約束，并且根據(jù)(i)在所述建模對象的物理響應(yīng)的當(dāng)前數(shù)值評估中發(fā)現(xiàn)的所述建模對象的應(yīng)力或應(yīng)變值，以及(ii)一種或多種材料的使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)來計算預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)，和提供所述建模對象的所述三維形狀以用于使用一個或多個計算機控制的制造系統(tǒng)來制造對應(yīng)于所述建模對象的物理結(jié)構(gòu)。

17、本公開的至少一實施例公開了一種編碼計算機程序的非暫時性計算機可讀介質(zhì)，所述計算機程序可操作以使一個或多個數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行操作，所述操作包括：獲得建模對象的一種或多種載荷狀況和一個或多個設(shè)計標準，其中所述一個或多個設(shè)計標準包括所述建模對象的所需載荷循環(huán)數(shù)；根據(jù)所述一個或多個設(shè)計標準和所述一種或多種載荷狀況迭代修改所述建模對象的三維形狀，其中所述迭代修改包括基于所述建模對象的所述所需載荷循環(huán)數(shù)與預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)的比較來實施疲勞安全系數(shù)約束，并且根據(jù)(i)在所述建模對象的物理響應(yīng)的當(dāng)前數(shù)值評估中發(fā)現(xiàn)的所述建模對象的應(yīng)力或應(yīng)變值，以及(ii)一種或多種材料的使疲勞強度與載荷循環(huán)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)來計算預(yù)期載荷循環(huán)數(shù)；以及提供所述建模對象的所述三維形狀以用于使用一個或多個計算機控制的制造系統(tǒng)來制造對應(yīng)于所述建模對象的物理結(jié)構(gòu)。

18、在附圖和以下描述中闡述了在本說明書中描述的主題的一個或多個實施方案的細節(jié)。根據(jù)說明書和附圖以及權(quán)利要求將清楚明白本發(fā)明的其他特征、方面和優(yōu)點。