CN100520784C - 最优形状设计方法和设计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是能够提供最优形状设计方法，能够容易胜任地设计减震包装中所用减震材料的最优形状；以及使用所述最优形状设计方法的最优形状设计系统。所述最优形状设计系统结构的特征在于提供了最优化控制单元2a。所述最优化控制单元2a检测由CAD单元2b所定义减震材料4的CAD数据M、由力学响应量计算单元2c所检测的力学响应量、由加工决策检测单元2d检测加工决策信息和由成本计算单元2e检测的加工成本信息之间的相关关系。然后，在根据所述相关关系检测到所述减震材料4的最优形状之前，所述最优化控制单元2a更新所述减震材料4的CAD数据M。以所述最优形状，所述力学响应量满足所述减震材料4的设计条件，所述减震材料4可加工，并且获得了最低加工成本。然后，所述最优化控制单元2a根据改变的CAD数据M更新所述相关关系，所述最优化控制单元2a根据更新的相关关系检测减震材料4的最优形状。

Description

最优形状设计方法和设计系统
技术领域
本发明涉及最优形状设计方法和设计系统，用于设计减震包装中所用减震材料的最优形状。
背景技术
常规情况下，在减震包装中所用减震材料的最优形状设计中，根据板状减震材料的减震性能数据，使确定的减震厚度和受压面积满足机械设计条件。形成了满足机械设计条件的减震材料形状后，决定可塑性并计算加工成本。在获得所述机械设计条件下的最优形状之前，设计要经过反复修改。
参考常规的结构最优方法，已公开的日本专利申请(JP-A)9-44551号(专利文档1)公开了一种方法，将包装产品所用多种减震材料的若干CAD(计算机辅助设计)数据事先存储在库组中，根据目标减震部件，通过从所存储的若干CAD数据中适当地选择CAD数据来设计减震部件。
JP-A 2002-7487号(专利文档2)公开了一种方法，检测减震材料体积的最小值，以便根据在减震材料体积为最小体积时刚度最大的减震材料形状，确定结构的最优形状。以减震材料体积的最小值，内容物的最大减速度满足设计限度。
JP-A 2002-331035号(专利文档3)公开了一种方法，设定的参数包括客户组件的需求，比如最大重量、最短寿命、最低可靠性、最低强度、耐久性、最低环境运行条件、对参考的适应值以及设计目标的成本。
JP-A 2001-297118号(专利文档4)公开了一种方法，通过输入最优面积获得减震材料的最优形状，并且能够在短时间内使减震材料形状具有通过增加/减少筋肋或者说凸饰造成的拓扑(状态和形态)改变。
JP-A 3-224063号(专利文档5)公开了一种方法，通过输入减震材料设计需求、早先阶段形状、可应用的设计参数范围以及边界条件，设计出满足设计需求的最优模型。
专利文档1：JP-A 9-44551号
专利文档2：JP-A 2002-7487号
专利文档3：JP-A 2002-331035号
专利文档4：JP-A 2001-297118号
专利文档5：JP-A 3-224063号
发明内容
不过，在以上的常规实例中，由于为了减少设计修改的次数，需要设计者的猜测和经验，因此难以实现设计自动化。另外，因为在确定了满足机械设计条件的减震厚度和受压面积之后才证实其他评价项目，所以存在着最终设计结果难得变为真正最优解决方案的问题。
鉴于以上问题，本发明的目的是提供最优形状设计方法，考虑到可塑性和加工成本的决策，能够容易胜任地设计减震包装中所用减震材料的最优形状；以及使用所述最优形状设计方法的最优形状设计系统。
为了实现以上目的，根据本发明之最优形状设计方法的典型结构的特征在于，在关于被定义为减震材料CAD数据的减震材料形状，检测力学响应量的同时，检测被定义为CAD数据的所述减震材料形状的加工决策，所述减震材料CAD数据根据减震包装中所用的所述减震材料的设计数据而产生，所述力学响应量至少包括坠落冲击中内容物产生的最大减速度和最大位移以及减震材料长期使用中产生的蠕变位移其中之一；检测所述减震材料CAD数据、所述力学响应量和所述加工决策之间的相关关系；在检测到根据所述相关关系，所述力学响应量满足所述减震材料设计条件且可加工的所述减震材料的最优形状之前，一直改变所述减震材料CAD数据；以及根据所述改变的减震材料CAD数据，更新所述减震材料CAD数据、所述力学响应量和所述加工决策之间的所述相关关系，检测到根据已更新的相关关系，所述力学响应量满足所述减震材料设计条件，且可加工的所述减震材料的最优形状。
根据本发明之最优形状设计系统的典型结构的特征在于包括，输入装置，用于输入减震包装中所用减震材料的设计数据；CAD装置，用于根据由所述输入装置输入的减震材料设计数据，定义减震材料形状；力学响应量计算装置，对由所述CAD装置定义的所述减震材料形状检测力学响应量，所述力学响应量至少包括内容物产生的最大减速度和最大位移以及所述减震材料长期使用中产生的蠕变位移其中之一；加工决策检测装置，对由所述CAD装置定义的所述减震材料形状检测加工决策；最优化控制装置，用于检测由所述CAD装置定义的所述减震材料CAD数据、由所述力学响应量计算装置检测的所述力学响应量和由所述加工决策检测装置检测的所述加工决策信息之间的相关关系，在检测到根据所述相关关系，所述力学响应量满足所述减震材料设计条件且可加工的所述减震材料的最优形状之前，，一直改变所述减震材料CAD数据，根据改变的所述减震材料CAD数据，更新所述减震材料CAD数据、所述力学响应量和所述加工决策之间的相关关系，检测到根据已更新的相关关系，所述力学响应量满足所述减震材料设计条件，且可加工的所述减震材料的最优形状；显示装置，用于输出和显示由所述最优化控制装置检测的所述减震材料最优形状。
根据本发明的最优形状设计方法，检测根据减震包装中所用减震材料设计数据产生的减震材料CAD数据、关于被定义为减震材料CAD数据的减震材料形状的包括坠落冲击中内容物产生的最大减速度和最大位移以及减震材料长期使用中产生的蠕变位移其中之一的所述力学响应量和所述加工决策之间的相关关系，在根据所述相关关系检测到所述力学响应量满足减震材料设计条件并且减震材料可加工的所述减震材料最优形状之前，一直改变所述减震材料CAD数据，根据改变的减震材料CAD数据更新所述减震材料CAD数据、所述力学响应量和所述加工决策之间的所述相关关系，检测根据已更新的相关关系，所述力学响应量满足减震材料设计条件，且可加工的所述减震材料的最优形状。所以能够容易胜任地设计减震材料的最优形状。
根据本发明的最优形状设计系统，检测根据所述输入装置输入的减震材料设计数据由所述CAD装置定义的CAD数据、关于由所述CAD装置定义的减震材料形状，由所述力学响应量计算装置算出的包括坠落冲击中内容物产生的最大减速度和最大位移以及减震材料长期使用中产生的蠕变位移其中之一的所述力学响应量和由所述加工决策检测装置检测的所述加工决策信息之间的相关关系，在检测到根据所述相关关系关系，所述力学响应量满足减震材料设计条件，且可加工的所述减震材料最优形状之前，一直改变所述减震材料CAD数据，根据改变的减震材料CAD数据更新所述减震材料CAD数据、所述力学响应量和所述加工决策之间的所述相关关系，检测根据已更新的相关关系，所述力学响应量满足减震材料设计条件，且可加工的所述减震材料的最优形状。所以能够容易胜任地设计减震材料的最优形状。
本发明具有如上所述的结构和措施，所以考虑到可塑性和加工成本的决策，能够容易胜任地设计减震包装中所用减震材料的最优形状。
附图说明
图1是框图，显示了根据本发明之最优形状设计系统的示意结构；
图2是流程图，显示了最优形状检测中的过程实例；
图3是根据CAD数据绘制的图，显示了内容物和包装所述内容物所用减震材料的早期设计阶段实例；
图4显示了减震材料的CAD数据、力学响应量、加工决策和加工成本之间的相关关系；
图5是根据CAD数据绘制的图，显示了确定最优形状的过程中不满足设计条件的减震材料形状实例；
图6是根据CAD数据绘制的图，显示了减震材料最优形状的实例；
图7是根据CAD数据绘制的图，显示了减震材料的另一个早期设计阶段形状。
附图标记的说明
1 输入设备
2 运算处理设备
2a 最优化控制单元
2b CAD 单元
2c 力学响应量计算单元
2d 加工决策检测单元
2e 成本计算单元
3 显示设备
4 减震材料
4a 孔
4b 缝
5 内容物
M、M1至M8以及Mopt CAD 数据
具体实施方式
下面将参考附图，具体地介绍根据本发明的最优形状设计和设计系统的若干实施例。
在图1中，号码1表示输入设备，它是输入装置，用于输入设计减震材料4所需的设计数据。减震材料4是设计目标，而且包装所用的减震材料4是以压模加工的物品。输入设备1能够以个人电脑等配备的键盘或鼠标或者通过通信线路比如因特网输入设计数据。
号码2表示运算处理设备，它执行运算操作，根据从输入设备1输入的设计数据，计算减震材料4的最优形状。号码3表示显示设备，比如CRT(布劳恩管)或打印机，它是显示装置，用于输出和显示由运算处理设备2算出的、减震材料4的最优形状。显示设备3也具有读取功能，读取数据库、文件等中存储的设计结果，以便输出和显示所述设计结果。
运算处理设备2包括最优化控制单元2a、CAD单元2b、力学响应量计算单元2c、加工决策检测单元2d、成本计算单元2e等。最优化控制单元2a是最优化控制装置，用于控制运算处理单元中执行的运算操作，以便检测减震材料4的最优形状。CAD单元2b是CAD装置，用于根据由输入设备1输入的、减震材料4的设计数据，定义减震材料4的减震材料形状。力学响应量计算单元2c是力学响应量计算装置，用于检测力学响应量，对于CAD单元2b定义的、减震材料4的减震材料形状，包括坠落冲击中内容物5产生的最大减速度和最大位移以及减震材料4长期使用中产生的蠕变位移其中之一。加工决策检测单元2d是加工决策检测装置，对于CAD单元2b定义的、减震材料4的减震材料形状，用于检测加工决策。成本计算单元2e是成本计算装置，对于CAD单元2b定义的、减震材料4的减震材料形状，用于检测加工成本。
正如后面参考图4的介绍，最优化控制单元2a检测CAD单元2b根据减震材料4的设计数据产生的CAD数据、力学响应量计算单元2c检测的力学响应量、加工决策检测单元2d检测的加工决策信息和成本计算单元2e检测的加工成本信息之间的相关关系。最优化控制单元2a改变减震材料4的CAD数据，直至根据相关关系检测到减震材料4的最优形状。以减震材料4的最优形状，减震材料4是可加工的，力学响应量满足减震材料4的设计数据，并且以减震材料4实现了最低加工成本。最优化控制单元2a根据改变的CAD数据、力学响应量计算单元2c新检测的力学响应量、加工决策检测单元2d再次检测的加工决策信息和成本计算单元2e新检测的加工成本信息，更新先前的相关关系。最优化控制单元2a根据更新的相关关系，对减震材料4的最优形状检测进行最优化运算操作。以减震材料4的最优形状，力学响应量满足减震材料4的设计数据，减震材料4是可加工的，并且以减震材料4实现了最低加工成本。
在本实施例中，加工决策检测单元2d检测减震材料4是不是可加工的，使得从压模中取出减震材料4时，横断面的横断面形状外周被垂直于图3、图5、图6和图7所示抽取方向a的多个平面划分后，从抽取方向a投影时，外周并不彼此交叉。
在本实施例中，参考由力学响应量计算单元2c检测的力学响应量，力学响应量计算单元2c设定为检测坠落冲击中由减震材料4所包装的内容物5产生的最大减速度和最大位移以及减震材料4长期使用中产生的蠕变位移其中之一。
然后将参考图2，介绍过程实例，根据本发明的最优形状设计方法检测减震材料4的最优形状。在步骤S1中，通过输入设备1的键盘或者通过通信线路比如因特网输入设计目标减震材料4的设计数据。
例如，在设计减震包装减震材料4的最优形状的情况下，作为设计数据，输入内容物5的形状、重量、坠落高度、坠落方向和设计限度(例如，力学响应量限度，比如内容物5产生的最大减速度，内容物5的最大位移以判断内容物5是否落出底部或减震材料4，以及减震材料4的蠕变位移以判断长期使用中减震材料4产生的永久应变)以及箱体内外所用材料和减震材料4的机械性质值(例如，应力、减震厚度和最大减速度、最大瞬时应变以及蠕变应变)。需要时也输入外箱比如瓦楞板箱的尺寸、内容物5在外箱中所处的位置等作为设计条件。
对于外箱和减震材料4所用材料的机械性质值，准备了存储着机械性质值多种数据的存储设备或者数据库文件，根据所用的材料，通过从存储设备或者数据库和文件搜索机械性质值，就可以使用这些机械性质值。
输入了以上的设计数据后，流程进至图2的步骤S2，在运算处理设备2中使用CAD单元2b产生例如图3所示的CAD数据M1作为减震材料4的早期设计阶段形状。这时，形状数据(例如，筋肋或孔的尺寸、角度及有无)定义为设计参数。
可以为先前设计箱体从数据库选择CAD数据M并用作早期设计阶段的形状，而不是采用新产生早期设计阶段形状的方法。在这种情况下，选择图3和图7所示数据库中存储的减震材料4的多个不同的早期设计阶段形状，减震材料4的所述多个选定的早期设计阶段形状以及每个早期设计阶段形状中包括的形状数据可以定义为设计参数。
然后，流程进至步骤S3、步骤S4和步骤S5，在步骤S3、步骤S4和步骤S5中，分别对步骤S1中输入的设计数据和步骤S2中定义的CAD数据M进行以下处理。
在步骤S3中，力学响应量计算单元2c对步骤S2中定义的CAD数据M计算力学响应量。计算力学响应量用于对比设计限度与内容物5产生的最大减速度等。
在力学响应量的计算中，当场适当地输入减震材料4所用材料的机械性质值对应的力学响应量，或者以搜索引擎从系统数据库中先前存储的机械性质值中搜索减震材料4所用材料对应的力学响应量而输入力学响应量，或者在减震材料4所用材料的力学响应量由关系表达式表示时，由关系表达式计算力学响应量。
另一方面，在步骤S4中，加工决策检测单元2d通过检测在以压模加工减震材料4时，在步骤S2定义的CAD数据M中是否恰当地提供了脱模所用的抽取坡度而检测加工决策。
在可塑性检测中，可以使用一种程序，检查减震材料4横断面的横断面面积被垂直于抽取方向a的多个平面划分后，是否沿抽取方向a逐渐减小，同时横断面的外周或内周中任何一个是否与另一个外周或内周交叉，也可以通过应用某些CAD软件(例如Solid Works；SolidWorks公司生产的商品名)配备的抽取坡度确认功能而进行所述检测。
在步骤S5中，成本计算单元2e对步骤S2定义的CAD数据M计算加工成本。例如，在珠状泡沫压模产品用作减震材料4的情况下，材料使用量对应的CAD数据M的体积乘以材料单位成本的数值被用作材料成本，压模机等的运行成本被用作处理成本，因此算出了加工成本。
在挤压泡沫压模产品用作减震材料4的情况下，材料使用量对应的CAD数据M的体积乘以材料单位成本的数值被用作材料成本，切割成本、热粘合成本、脱模成本等被用作处理成本，就算出了加工成本。
然后，流程进至步骤S6。例如，使用步骤S3、步骤S4和步骤S5中算出的力学响应量、加工决策信息和加工成本信息，绘制出图3所示CAD数据M1的设计参数、力学响应量、加工决策和加工成本之间的相关关系，如图4所示。根据所述相关关系确定减震材料4的最优形状。以所述最优形状，减震材料4是可加工的，力学响应量满足减震材料4的设计限度——设计目标，并且加工成本最低。
在确定减震材料4的最优形状——设计目标的过程中，如果设计条件未满足，如图4和图5所示的CAD数据M2(因为力学响应量超过设计限度而无法进行加工)，或者存在着能够进一步降低加工成本的减震材料形状，流程就从步骤S6返回步骤S2，直至确定了最优形状。如图4所示，改变CAD数据M，以便更新力学响应量、加工决策和加工成本之间的相关关系，最终确定最优形状。
在图4显示的状态中，最优化开始于图3所示的CAD数据M1，CAD数据M1依次改变为CAD数据M2、M3、...M8，例如在第9次最优化中获得了图6所示减震材料4最优形状的CAD数据Mopt。为了确定减震材料4的最优形状——设计目标，对最优化控制单元2a应用了通用最优化程序，比如iSight(商品名，由Engineous Software公司生产)。
图7是根据CAD数据绘制的图，显示了减震材料的另一个早期设计阶段形状。在图7中，号码4a表示减震材料4的四个角落形成的孔，号码4b表示从孔4a向减震材料4的开口部位延伸的缝。因此，如图3和图7所示，选择数据库中存储的减震材料4的多个早期设计阶段形状，减震材料4的所述选定的早期设计阶段形状以及早期设计阶段形状中包括的形状数据可以定义为设计参数。
在本实施例中，由于将CAD数据M用作设计参数，在确定最优形状时，方便了绘图和机器加工NC数据的工作。
另外，除了力学响应量以外，在最优条件中也加入了加工决策和加工成本，所以能够获得生产率高的最优形状，包括处理特征和经济效益。
工业适用性
例如，本发明能够用于设计方法和设计系统，对减震包装中所用的减震材料设计最优形状。
虽然已经以单一的优选实施例介绍了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，本发明能够以附带的权利要求书的实质和范围之内的修改实施。

Claims (5)

1.一种根据输入的设计数据(S1)设计用于包装内容(5)的减震材料(4)的最优形状Mopt的方法，所述方法包括步骤：
根据所述输入设计数据产生(S2)用于减震材料(4)的CAD数据M，所述CAD数据M定义减震材料的形状；
为所述定义的减震材料的形状计算(S3)至少包括下列各项的机械响应量：
坠落冲击中在所述包装内容中产生的最大减速度；
坠落冲击中在所述包装内容中产生的最大位移；
减震材料长期使用中产生的蠕变位移；
确定(S6)所述机械响应量是否满足所述减震材料的设计限度，以及所述减震材料是否是可加工的(S4)；
以及如果确定步骤(S6)确定所述机械响应量满足所述减震材料的设计限度，并且所述减震材料是可加工的，那么由所述CAD数据M定义的所述形状被当成最优形状，其中重复进行产生(S2)、计算(S3)和确定(S4、S6)的步骤直到确定最优形状Mopt。
2.根据权利要求1的方法，还包括计算(S5)由所述CAD数据定义的减震材料(4)的加工成本，如果在确定步骤(S6)中进一步确定所述加工成本最小，那么由所述CAD数据M定义的所述形状被当成最优形状。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述减震材料是使用压模加工的物品，并且其中为确定(S4)所述减震材料是否是可加工的，确定横断面的横断面形状的外周当从抽取方向投影时是否彼此不交叉，所述横断面的横断面形状的外周在将物品和压模彼此松开时被垂直于抽取方向的多个平面分割。
4.一种用于设计包装内容(5)的减震材料(4)的最优形状Mopt的系统，所述系统包括：
输入装置(1)，用于输入减震材料的设计数据；
CAD装置(2b)，用于根据所述输入的设计数据产生用于减震材料(4)的CAD数据M，所述CAD数据M定义减震材料的形状；
机械响应量计算装置(2c)，用于为所述定义的减震材料的形状计算至少包括下列各项的机械响应量：
坠落冲击中在所述包装内容中产生的最大减速度；
坠落冲击中在所述包装内容中产生的最大位移；
减震材料长期使用中产生的蠕变位移；
加工决策检测装置(2d)，用于确定所述减震材料(4)是否是可加工的；
最优化控制装置(2a)，用于如果所述机械响应量满足减震材料的设计限度，并且如果所述加工决策检测装置确定减震材料是可加工的，那么检测最优形状作为所述形状，或者用于改变所述CAD数据直到检测到所述最优形状；
显示装置(3)，用于输出和显示由所述最优化控制装置检测的所述最优形状。
5.根据权利要求4的系统，还包括：
成本计算装置(2e)，用于计算所述定义的减震材料的形状的加工成本；
所述最优化控制装置(2a)，如果所述机械响应量满足减震材料的设计限度，如果所述加工决策检测装置确定减震材料是可加工的，并且如果所述加工成本是最小的，那么检测最优形状作为所述形状。
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